И.П.Копылов

Электрические
машины

Издание четвертое, исправленное

Допущено Министерством образования
Российской Федерации в качестве учебника
для студентов электромеханических
и электроэнергетических специальностей вузов

Москва
«Высшая школа»

2004
УДК 621.313

ББК 31.26

К 65

Рецензент:

проф. Д.А. Бут (зав. кафедрой «Электроэнергетические и электромеханические
системы» Московского государственного авиационного института)

Копылов, И.П.

К 65 Электрические машины: Учеб, для вузов/И.П. Копылов. —
4-е изд., испр. — М.: Высш, шк., 2004.— 607 с.

ISBN 5-06-003841-6

Рассматриваются теория электромеханического преобразования энергии
электрических машин, их характеристики, переходные и установившиеся режимы
работы. Теория электрических машин излагается на базе дифференциальных урав-
нений. Максимально используются современные достижения общей теории элек-
трических машин; развивается классическая теория комплексных уравнений, век-
торных диаграмм и схем замещения.

Для студентов электромеханических и электроэнергетических специально-
стей вузов. Может быть полезен инженерам-электромеханикам и энергетикам,
занимающимся проектированием, ремонтом и эксплуатацией электрических
машин.

УДК 621.313

ББК 31.26

ISBN 5-06-003841-6

© ФГУП «Издательство «Высшая школа», 2004

Оригинал-макет данного издания является собственностью издательства «Высшая
школа», и его репродуцирование (воспроизведение) любым способом без согласия изда-
тельства запрещается.
Предисловие

Прогресс в развитии электромашиностроения зависит от успехов в об-
ласти теории электрических машин. Глубокое понимание процессов электро-
механического преобразования энергии необходимо не только инженерам-
•леюромеханикам, создающим и эксплуатирующим электрические машины,
но и многим специалистам, деятельность которых связана с электромеханикой.

В годы перестройки в высшей школе произошли большие измене-
ния. Многие вузы получили статус технических университетов, что по-
фебовало изменения содержания большинства учебных программ в сто-
рону их большего научного содержания и приближения к университет-
с кому образованию. Все это коснулось и кафедр «Электрических машин»,
большинство которых изменили название и стали кафедрами «Электро-
механики», что потребовало большей теоретизации читаемых курсов.
I loiioe издание учебника по электрическим машинам отвечает современ-
ным тенденциям в подготовке инженеров-электромехаников.

Данный учебник по электрическим машинам отличается от вышед-
ших ранее тем, что изложение теории отдельных типов электрических
машин начинается с дифференциальных уравнений, описывающих как
установившиеся, так и переходные режимы, а затем, после получения
уравнений установившегося режима, излагается более строго классиче-
ский материал — схемы замещения, векторные и круговые диаграммы.

В последние десятилетия благодаря широкому применению ЭВМ тео-
рия электрических машин получила дальнейшее развитие, и настало время
ввести в общий курс многие достижения математической теории электри-
ческих машин, что автор и попытался сделать в данном учебнике. Большая
ма гематизация общего курса дает возможность более строго изложить тео-
рию электрических машин и ввести более глубокие математические методы
исследования в смежные курсы, такие, как «Проектирование электрических
машин», «Электрические машины автоматических устройств» и др.

Изложение теории электрических машин начинается с законов элек-
|ромсханического преобразования энергии и уравнений обобщенной ма-
шины. При изложении курса подчеркивается общность различных электри-
ческих машин, что позволяет создать единое математическое описание
процессов электромеханического преобразования энергии в индуктивных,
емкостных и ищуктивно-емкостных электромеханических преобразователях.

В последние годы появились новые конструктивные видоизменения
шектрических машин: линейные двигатели, машины с несколькими сте-
пенями свободы, с жидким и газообразным ротором и др. Инженер-
электромеханик должен уметь подойти к созданию и исследованию лю-
бой электрической машины — электромеханического преобразователя
энергии, поэтому основы общей теории электромеханического преобра-
зования энергии должны излагаться не только в специальных курсах, но и
в общем курсе электрических машин.

Книга начинается с главы «Введение в электромеханику», в которой
приводятся законы электромеханики, классификация и основные конструк-
тивные исполнения электрических машин, рассматриваются поля, МДС и
обмотки основных типов электрических машин. Эта глава включает мате-
риал, который обычно располагается в главе «Общие вопросы машин пере-
менного тока». Наличие в середине курса такой главы в старых программах
нарушало стройность изложения и затрудняло проведение лабораторных
работ. Следует отметить, что общие положения электромеханики, приве-
денные в этой главе, распространяются и на машины постоянного тока.

В главах, посвященных теории и конструкции отдельных видов элек-
трических машин, наиболее подробно рассматривается их традиционное
исполнение и в конце каждой главы излагаются принципы действия и
устройство наиболее распространенных специальных исполнений. На-
пример, в главе «Трансформаторы» дано описание сверхпроводящих ин-
дуктивных накопителей, а в главе «Машины постоянного тока» — вен-
тильных двигателей и т. п.

В учебнике несколько расширен материал по коллекторным элек-
трическим машинам, электромашинным преобразователям и каскадным
схемам, так как понимание процессов преобразования энергии в этих ма-
шинах помогает разобраться в работе электротехнических устройств с
полупроводниковыми преобразователями.

Кратко рассмотрена теория емкостных и индуктивно-емкостных
электромеханических преобразователей. Хотя такие машины практически
не нашли применения, они заслуживают внимания, так как знакомство С
ними расширяет представления об электрических машинах и позволяет
сделать важные обобщения.

Автор старался создать учебник, который отвечает программам ба-
калавров, инженеров и магистров, при этом лектор должен найти в нем
материал, соответствующий современным требованиям к трехуровневой
подготовке специалистов по разделу «Электромеханика».

Автор благодарит профессора Бута Д. А. за глубокий анализ рукопи-
си и высокий профессионализм при рецензировании и сотрудников ка-
федры «Электромеханики» МЭИ (ТУ) за полезные замечания.

Все замечания и пожелания, которые автор примет с благодарно-
стью, следует направлять в издательство «Высшая школа» по адресу:
127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., дом 29/14.

Автор
Глава первая

ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ

1.1. Электромеханика и социальный прогресс

Уровень развития материальной культуры человеческого общества в
первую очередь определяется созданием и использованием источников
энергии. Применение пара, а в последние 100 лет электричества, совер-
шило техническую революцию в промышленности и оказало решающее
влияние на развитие социальных отношений.

В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека
приходится до 10 кВт всех видов энергии. Это примерно в 100 раз боль-
ше, чем мускульная мощность человека, которая еще 200 лет назад была
основной в промышленности и сельском хозяйстве.

С полным основанием можно считать, что сегодня технический и
культурный уровень развития государства определяется количеством
пектроэнергии, вырабатываемой на душу населения.

Почти вся электрическая энергия (на долю химических источников
приходится незначительная часть) вырабатывается электрическими ма-
шинами. Но электрические машины могут работать не только в генера-
торном режиме, но и в двигательном, преобразуя электрическую энергию
в механическую. Обладая высокими энергетическими показателями и
меньшими, по сравнению с другими преобразователями энергии, расхо-
дами материалов на единицу мощности, экологически чистые электроме-
ханические преобразователи имеют в жизни человеческого общества ог-
ромное значение.

Первые городские электростанции появились в самом конце XIX ве-
ка. В настоящее время установленная мощность электростанций на Земле
равна, примерно, 4000 млн. кВт. Выработка электроэнергии достигла,
примерно, 25000 млрд. кВт-ч в год. Если и в дальнейшем производство
электроэнергии будет расти такими же темпами, то в ближайшие годы
производство электроэнергии достигнет 0,1% всей энергии, получаемой
' игсй от Сольца. Про тзводство электроэнергии становится глобальным
И влияет на окружающую нас среду.

В нашей стране за последние 70 лет выработка электроэнергии уве-
личилась в 1000 раз. Особенно быстро выработка электроэнергии росла в
1950 1980 годах. В наследство от царской России страна получила не-
сколько электростанций мощностью всего в 1000 МВт. В 1920 г. по ини-
циативе В. И. Ленина был принят государственный план электрификации
России — план ГОЭЛРО. По этому плану предусматривалось за 10—15
лет построить 20 тепловых и 10 гидравлических электростанций мощно-
стью 1750 МВт. План ГОЭЛРО был выполнен досрочно, и уже в 1935 г.
вместо 30 было введено в строй 40 электростанций, выработка электро-
энергии превысила планируемую вдвое.

После Великой Отечественной войны энергетика развивалась осо-
бенно быстрыми темпами. Были построены каскады гидростанций на
Волге и Днепре, мощные тепловые электростанции и атомные станции.
До 90-х годов XX века выработка электроэнергии в нашей стране удваива-
лась за 8—10 лет. Уже в 1985 г в СССР было выработано более 1,5 трлн. кВт ч
электроэнергии. Выработка электроэнергии на атомных электростанциях
в последние годы достигла 20% от общего объема выработки электро-
энергии. Электротехническая промышленность обеспечивает изготовле-
ние электрических машин и другого оборудования для энергетики и дру-
гих отраслей народного хозяйства. Для передачи, распределения и ис-
пользования электрической энергии требуется на каждую единицу уста-
новленной мощности на электростанциях изготовить пять-шесть единиц
мощности трансформаторов и электрических двигателей.

В настоящее время в отрасли насчитывается более 100 крупных за-
водов и научно-производственных объединений. Крупнейшими науч-
но-производственными объединениями, имеющими международную
известность, являются «Электро-
сила» (Санкт-Петербург), «Дина-
мо» (Москва), «Уралэлектротяж-
маш» (Екатеринбург) и другие
[1, 16].

Электротехническая про-
мышленность выпускает в год
миллионы электрических машин
для всех отраслей экономики.
Без электрических машин не мо-
жет развиваться ни одна ком-
плексная научная программа.
Электрические машины работа-
ют в космосе и глубоко под зем-
лей, в океане и активной зоне
атомных реакторов, в животно-
водческих помещениях и меди-
цинских кабинетах. Без пре-

Рис. 1.1. Рост единичной мощности
турбогенераторов
мк-иичспия можно сказать, что электромеханика определяет технический
 ||<|>| рссс в большинстве основных отраслей промышленности.

Колоссальный рост выработки электроэнергии мог быть обеспечен
ioiii.no при росте мощности турбо- и гидрогенераторов, установленных на
к-п новых, атомных и гидравлических станциях. Единичная мощность
коновых электростанций достигла 4,8 млн. кВт, а самая крупная у нас
। и ц»ос гапция — Саяно-Шушенская — имеет мощность 6.6 млн. кВт. Уста-
нои 1СНН.Ш мощность генераторов на электростанциях России в 2000 г.
iipi io.uiijia 150 млн. кВт.

ILi тепловых и атомных электростанциях в качестве генераторов
применяются быстроходные электрические машины-турбогенераторы с
пп 1оюй вращения 3000 и 1500 об/мин. На гидростанциях работают ти-
хоходные генераторы электрической энергии—гидрогенераторы.

Па рис. 1.1 показан рост единичной мощности турбогенераторов за
hoi испоенные годы. За 30 лет усилиями инженеров-электромехаников уда-
пл< в, практически в одних и тех же габаритах, увеличить мощность тур-
> и итераторов в 10 раз. Увеличить мощность турбогенераторов стало
тмможпым, главным образом, в результате улучшения охлаждения ма-
IIHIIII.I. Сначала в качестве охлаждающей среды применялся воздух, затем
водород, а в последних конструкциях внутреннее охлаждение проводни-
ио|| обмоток осуществляется водой или воздухом.

В настоящее время освоен серийный выпуск турбогенераторов мощ-
ное гыо 500 и 800 МВт. На Костромской тепловой электростанции рабо-
inioi турбогенераторы мощностью 1200 МВт (рис. 1.2). Для атомных

Гис ,1,2 Сборка турбогенератора мощностью 1200 МВт для Костромской ГРЭС
нп ш'ц'де «Электросила» г. Санкт-Петербург
Рис. 1.3. Машинный зал Братской гидроэлектростанции, на которой установле-
но 15 гидрогенераторов мощностью 225 МВт

электростанций освоен выпуск турбогенераторов мощностью 1000 МВт с
частотами вращения 1500 и 3000 об/мин и мощностью 1600 МВт на 1500
об/мин. Это самые крупные и экономичные энергетические установки,
созданные человеком. Коэффициент полезного действия турбогенератора
мощностью 1200 МВт 99,2%, а расход материалов 0,5 кг/кВт.

Резервы повышения мощности турбогенераторов увеличиваются при
применении обмоток из сверхпроводящих сплавов, работающих при тем-
пературе, близкой к 4 К, когда активное сопротивление, практически,
равно нулю. Использование явления сверхпроводимости позволит дове-
сти единичную мощность электрических машин до 2—3 млн. кВт. В на-
стоящее время создан криотурбогенератор мощностью 320 МВ-А, 3000
иб/мии и ведутся работы по увеличению мощности криотурбогенера-
ГИ|ЮИ.

1 идрогенератор Саяно-Шушенской ГЭС имеет мощность 712 МВ А.
)к» один из крупнейших гидрогенераторов в мире. Его КПД равен 98,4%,
«« <р 0,9 при частоте вращения 142,8 об/мин. Масса гидрогенератора
1790 г. С 1967 г. на Красноярской ГЭС успешно эксплуатируются гидро-
(гпсрпторы мощностью 590 MB-А. За годы эксплуатации станция не-
i I идько раз окупила расходы на ее строительство. В течение полувека
имрпбатывают дешевую электроэнергию гидрогенераторы каскада Волж-
М1х, братской, Красноярской, Усть-Илимской ГЭС и др. (рис. 1.3).

В настоящее время ведется проектирование гидрогенераторов мощ-
ное । ыо 1600 МВт, а также генераторов еще большей мощности для ГЭС
Восточной Сибири.

Для передачи и распределения электроэнергии требуются трансфор-
мпгоры, автотрансформаторы и реакторы. На основе достижений отечест-
венных электротехников созданы трансформаторы для передачи огромных
incpiei ических мощностей на большие расстояния при напряжениях 1150 кВ
переменного тока и 1500 кВ постоянного тока.

В России выпускаются самые мощные в мире автотрансформаторы типа
АОДЦТ-667000/1150/500, предназначенные для связи электрических сетей
переменного тока напряжением 1150 и 500 кВ. Номинальная мощность авто-
грцнгформатора 667 000 кВ-А, масса 580 т. Уникальными установками явля-
инся трансформаторы, предназначенные для работы на электростанциях в
качестве повышающих в блоке с турбогенераторами 1000 и 800 МВт.

Трансформаторные заводы страны выпускают реакторы, специаль-
ные трансформаторы, комплектные трансформаторные подстанции и
другие устройства, обеспечивающие надежную работу энергосистем и
hick |роснабжение потребителей электроэнергией.

Две трети электроэнергии, выработанной на электростанциях, преоб-
рйчуегся различными электроприводами в механическую энергию. Элек-
|рические двигатели постоянного и переменного тока строятся на мощ-
ПОСП1 от долей ватта до десятков тысяч киловатт, на напряжения от не-
»кильких вольт до десятков киловольт. Частоты вращения охватывают
дишшзон от одного оборота в сутки до 500 000 об/мин. Выпускаются дви-
I tn ели, обеспечивающие точные угловые и линейные перемещения, рабо-
злющие при изменении частоты вращения в диапазоне 1—1000 и выше,
при температуре, близкой к абсолютному нулю, и 600 К, работающие в
щрессивных средах, в вакууме и при высоких давлениях. Электродвига-
11ЧЦ1 имеют бесчисленные конструктивные исполнения. При создании
1нсю|юдвигателей электромеханикам удавалось решить почти все про-
блемы, которые ставились перед ними промышленностью, но проблем не
становится меньше.
Электротехническая промышленность разработала и выпускает элек-
тродвигатели во взрывозащищенном исполнении на 1140 В, что позволило в
1,5 2 раза увеличить среднесуточную добычу угля. Для карьерных и
шагающих экскаваторов изготовляются двигатели, в так называемом,
экскаваторном исполнении. Выпускаются тяговые двигатели для электро-
возов, работающих в карьерах. Для нефтяной промышленности
выпускаются погружные двигатели, работающие при 90° С, и наг-
ревостойкие электробуры. Усилиями электромехаников созданы
различные электродвигатели, обеспечивающие надежную работу
агропромышленного комплекса. Для бытового применения выпускается
большая гамма электрических машин, обеспечивающая работу холодиль-
ников, пылесосов, стиральных и других бытовых машин. Электрические
двигатели широко используются в медицинской технике.

Особая роль отводится электрическим машинам в космической,
авиационной и морской технике. Электрические машины, работающие на
передвижных установках, выпускаются в больших количествах. Эти ма-
шины должны иметь минимальные габариты при высоких энергетических
показателях и высокую надежность. Отдельную область электромеханики
составляют электрические машины систем автоматического управления,
где электрические машины используются в качестве датчиков скорости,
положения, угла и являются основными элементами сложнейших навига-
ционных систем. .

Невозможно для каждого заказчика выпускать отдельную машину,
поэтому электрические машины выпускаются сериями. В нашей стране
самой массовой серией электрических машин является общепромышлен-
ная серия асинхронных машин 4А. Серия включает машины мощностью
от 0,06 до 400 кВт и выполнена на 17 стандартных высотах оси вращения.
На каждую из высот вращения выпускаются двигатели двух мощностей,
отличающиеся по длине. На базе единой серии выпускаются различные
модификации двигателей, которые обеспечивают технические требования
большинства потребителей. Большими сериями выпускаются синхронные
машины, машины постоянного тока, микромашины и трансформаторы.
Серийное изготовление машин позволяет модифицировать отдельные
узлы и детали, применять поточные автоматические линии и обеспечивать
необходимый выпуск электрических машин при минимальных затратах [1].

В последние годы Ярославский электромашиностроительный завод
разработал и выпускает серию RA — Российская асинхронная. Влади-
мирский электромоторный завод — серию 5А.

Серии электрических машин обновлялись каждые 8—10 лет. Проек-
тирование серий имеет важное значение для всей экономики страны и
требует высокой профессиональной подготовки научных коллективов.
Несмотря на бесконечное разнообразие электрических машин, они объе-
10
диняются единой теорией электромеханического преобразования энергии.

Как в практике электромашиностроения, так и в области теории
электрических машин, сделано уже многое и достигнуты несомненные
успехи. Но нельзя думать, что все основное уже сделано и остается толь-
ко изучать созданное старшим поколением электромехаников.

В настоящее время перед электромеханиками стоят трудные и инте-
ресные проблемы, которые требуют глубокого знания теории, проектиро-
вания и технологии изготовления электрических машин.

К основной проблеме в области электромеханики следует отнести
создание электрических машин, использующих новые нетрадиционные
источники энергии. Сейчас около 70% электроэнергии вырабатывается на
тепловых электростанциях за счет сжигания органического топлива. За-
пасы нефти, газа и угля ограничены, и необходимо в ближайшие годы
значительно уменьшить долю органического топлива в топливном балан-
се страны. Электромеханическое преобразование энергии и в будущем
будет основным в энергетике, поэтому создание электрогенераторов, ис-
пользующих новые источники энергии, является особой заботой электро-
механиков.

До сих пор практическое применение находит один класс электриче-
ских машин — индуктивные, в которых электромеханическое преобразо-
вание энергии происходит в магнитном поле. Электромеханические пре-
образователи, в которых одновременно идет преобразование энергии в
электрическом и электромагнитном полях, еще не нашли применения в
промышленности. Создание таких электрических машин — одна из труд-
ных проблем электромеханики.

Особенностью развития электромашиностроения в настоящий пери-
од является то, что дальнейшее наращивание выпуска электрических ма-
шин происходит с учетом жестких требований экономии материалов,
электроэнергии и трудовых ресурсов. Создание более экономичных, ме-
нее металлоемких и более технологичных электрических машин является
первостепенной задачей. Сотни повседневных задач, связанных с повы-
шением энергетических показателей, улучшением надежности, снижени-
ем шума и вибраций, созданием безотходной технологии, проектировани-
ем новых электрических машин, ежедневно решаются большой армией
инженеров-электромехаников, обеспечивающих технический прогресс в
электромашиностроении.
1.2. Краткая история развития электрических машин

Чтобы глубоко разобраться в закономерностях развития любой от-
расли знания, необходимо знать ее иСториЛ. История развития электри-
ческих машин весьма поучительна и заслуживает внимания [16].

Принято считать, что история электрических машин начинается с
создания М. Фарадеем в 1821 г. электрического двигателя, который пред-
ставлял собой постоянный магнит 1, вокруг которого вращался провод-
ник с током 2 (рис. 1.4). Скользящий контакт обеспечивался ртутью, на-
литой в чашу 3, и верхней опорой 4. В двигателе Фарадея при постоянном

токе в проводнике и постоянном магнитном поле, создаваемом постоян-
ным магнитом, осуществлялось преобразование электрической энергии в

механическую.

Открытие Фарадея не было случайным, оно было подготовлено ра-
ботами многих физиков. В 1799 г. итальянский ученый А. Вольта создал
электрохимический генератор — вольтов столб, который состоял из цин-

ковых и медных дисков, разделенных прокладками, смоченными кислотой.

Русский академик В. В. Петров в 1802 г. создал батарею из 4200
медных и цинковых пластин, которая имела ЭДС 1700 В и полезную
мощность 85 Вт. Ему впервые удалось наблюдать электрическую дугу.
Эксперименты с вольтовым столбом позволили изучить тепловые и маг-

нитные действия электрического тока.

В 1820 г. французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром был сформу-
лирован закон действия тока на магнит. В том же году Г. Эрстед опубли-
ковал работу, в которой описывалось отклонение магнитной стрелки под
действием электрического тока, а Ф. Араго предложил соленоид. В
1821 г. X. Дэви обнаружил влияние на проводимость температуры и ма-
териала проводника. Результаты исследований Г. Ома (закон Ома) были
опубликованы в 1827 г.

Электрические и магнитные явления были известны еще в XVIII в. и
значительно раньше. Первой работой по электричеству был трактат «О

Рис. 1.4. Двигатель М. Фарадея

магните, магнитных телах и о боль-
шом магните — Земле», который на-
писал английский ученый У. Гильберт
в 1600 г. Гильберт назвал электриче-
скими тела, способные электризоваться,
и ввел термин «электричество».

О. Герике в 1650 г. описал пер-
вую электрическую машину трения,
которая состояла из сделанного из
серы шара, который при вращении
натирался ладонями рук.
В начале XVIII в Ф. Гаукс-
bii ц.менил шар из серы полым
I .янным шаром. В 1743 г. в
Мшину был введен скользящий
•01ШКТ, который снимал заря-
ы, и машина стала непрерывно
г цапать электрическую энер-
I ню В конце XVIII в. была соз-
linint емкостная электрическая
машина, ротор которой был вы-
полнен в виде диска диаметром
2 м. Эта машина создавала ис-
Вры >щиной около 2 м.

Атмосферным электриче-
(*яом, молниеотводами много

Рис. 1.5. Колесо Барлоу

снимались М. В. Ломоносов,

1 В. Рихман, Б. Франклин. В 1785 г. Ш. Кулон сформулировал закон
ичшмодействия электрических зарядов и магнитных полюсов. Р это вре-
мя в России А. Т. Болотовым, И. П. Кулибиным и другими учеными соз-

дппплись переносные емкостные электрические машины, которые ис-
пою, ювались для лечения и проведения психологических опытов.

В XIX и XX вв. емкостные машины трения, или электрофорные ма-
шины, продолжали развиваться, но как Силовые электромеханические
преобразователи применялись только индуктивные машины и о емкост-
ных электрических машинах почти забыли.

В 1823 г. П. Барлоу предложил двигатель, который состоял из колеса
I и постоянного магнита 2. Как и в двигателе Фарадея, скользящий кон-
МкТ создавался с помощью ртути, налитой в банку 3, и провода, подсое-
инснного к валу. Питание двигателя осуществлялось от батареи химиче-
। *нх элементов (рис. 1.5).

В 1824 г. Ф. Араго обнаружил, что при вращении медного диска над
мт ни гной стрелкой стрелка увлекается в сторону вращения диска. Это
япиепие получило объяснение только после открытия закона электромаг-
liii । пой индукции.

Фарадей в 1831 г., проведя тысячи опытов, показал возможность
«Яр вращения магнетизма в электричество», открыв закон электромаг-
1ПП1ЮЙ индукции.

Фарадей в своих опытах различал два вида индукции: индукцию тока
ю*ом («вольта-электрическая индукция» по терминологии Фарадея) и
Мшпшоэлектрическую индукцию («возбуждение электричества при по-
мощи магнетизма»). Однако он заметил, что при дальнейшем изучении
р« ипОТие между двумя видами индукции исчезает.
Рис. 1.6. Установки, на которых М. Фарадей
изучал явления электромагнитной индукции

В первой группе опытов
Фарадей наблюдал появление
индуктированного тока во вто-
ричной катушке w2 при ком-
мутации первичной катушки
или при взаимном перемеще-
нии первичной и вторичной
цепей. При этом в некоторых
опытах для усиления явления
он использовал стальные сер-
дечники (рис 1.6, а). Следует
отметить, что эта установка
имела все признаки транс-
форматора.

Во второй группе опытов
индуктированный ток возни-
кал при относительных пере-
мещениях магнита и катушки
или при замыкании и размы-
кании магнитной цепи. Фара-
дей показал, что на основа-
нии этих наблюдений можно
построить электромеханиче-
ский генератор, который со-
стоял бы из магнита и полюсных наконечников, между которыми вра-
щался медный диск (рис. 1.6, б). Если наложить одну щетку на перифе-
рию диска, а другую — на ось и в цепь щеток включить гальванометр, то
последний при вращении диска фиксирует электрический ток.

Исключительно плодотворной и важной частью работ Фарадея
явилось представление об электромагнитном поле, которое он перво-
начально представлял как «электротоническое состояние материи».
Он впервые вводит понятие о магнитных силовых линиях. Фарадей
приписывал магнитным, а затем и электрическим силовым линиям
физическую реальность, наделял эти линии свойством тяжения, т.е.
формировал представление о некоторой материальной среде, в кото-
рой возбуждаются электромагнитные явления и через которую пере-
даются те или иные действия.

Продолжатель дела Фарадея, его соотечественник Д. К. Максвелл
писал, что он только переводил идеи Фарадея в математическую форму.
Но вместе с тем он дал замечательную характеристику взглядов своего
предшественника: «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил,
что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не
представленным в форме обычных математических символов...» . Фара-
дей видел силовые линии, пронизывающие все пространство там, где ма-
тематики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей
видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояний; Фарадей
предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, проте-
кающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе
действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам.

Сын кузнеца из лондонского предместья, переплетчик, а затем лабо-
рант в химической лаборатории, М. Фарадей стал самой крупной фигурой
в электромеханике. Он был членом 68 научных обществ и академий, ве-
ликим ученым и скромным человеком, автором глубоких научных трудов
и популяризатором науки.

В 1832 г. Э. Ленц сформулировал закон о направлении индуктиро-
ванного тока, а также принцип обратимости электрических машин. В
1838 г. Э. Ленц экспериментально показал возможность работы машины
постоянного тока в генераторном и двигательном режимах.

На первом этапе развития электромеханики на конструкцию элек-
трических машин значительное влияние оказывали успехи в создании
паровых машин, в которых возвратно-поступательное движение поршня
преобразовывалось во вращательное движение вала. В 1831 г. американ-
ский физик Д. Генри предложил двигатель возвратно-поступательного
движения, в котором подвижный электромагнит 1 поочередно притяги-
вался к постоянным магнитам 2 и отталкивался от них, замыкая и размы-
кая батареи гальванических элементов 3 (рис. 1.7).

Двигатель Д. Генри совершал 75 качаний/мин и имел мощность 0,04
Вт. Были и другие попытки создания электродвигателей возвратно-
поступательного движения, но будущее было за электрическими маши-

нами вращательного движения.

В 1834 г. петербургский академик Б. С. Якоби построил и описал

электродвигатель, который ра-
ботал за счет притяжения и
отталкивания электромагнитов.

Двигатель Б. С. Якоби имел
две группы электромагнитов:
одну — вращающуюся 1, а
другую — неподвижную 2
(рис. 1.8). Для изменения по-

Рис. 1.7. Двигатель возвратно-поступатель-
ного движения Д. Генри

лярности подвижных электро-
магнитов использовался ком-
мутатор 3, который состоял из

Миткевич В. Ф. Магнитный поток и его преобразования. —М.: АН СССР, 1946, с. 7.
Рис. 1.8. Двигатель Б. С. Якоби

колец, имеющих изолирующие
вставки. В четырехполюсной
машине было четыре медных
и четыре изолирующих встав-
ки. По кольцам скользил кон-
такт, и при вращении осуще-
ствлялось изменение направ-
ления тока в обмотках под-
вижных электромагнитов. На-
пряжение подводилось к кон-
тактам 4 от гальванических
элементов.

В 1838 г. Б. С. Якоби объ-
единил 40 электродвигателей,
которые работали на два вала.
Вместе с гальванической бата-
реей, состоящей из 320 эле-
ментов, этот двигатель был
установлен на боте, который
вместе с 12 пассажирами пла-

вал по Неве несколько часов при сильном ветре и против течения. Это

было первое практическое применение электрических машин. Хотя элек-

тродвижение судов стало применяться только через 100 лет, а двигатели

на этом принципе не получили
развития, работы Б. С. Якоби
имели огромное значение для
развития электромеханики.

Применение двигателя
Б. С. Якоби показало, что галь-
ванические источники элек-
трической энергии не могут
обеспечить длительную рабо-
ту мощных электродвигате-
лей. Необходимо было созда-
вать иные источники электри-
ческой энергии. Ими стали
электрические машины, рабо-
тающие в генераторном ре-
жиме.

Еще в 1832 г. братья
Пикси на основе работ Фара-
дея сконструировали генера-

Рис. 1.9. Генератор братьев Пикси
тор с вращающимися постоянными магнитами 1. В неподвижных катуш-
ках 2 при вращении постоянных магнитов наводился переменный ток
(рис 1.9). Это один из первых генераторов переменного тока. Но пере-
менный ток в то время не находил еще применения, и для выпрямления
применялись механические коммутаторы.

Стремление повысить мощность электрических машин приводило к
увеличению числа постоянных магнитов. Первые электрические машины
были тяжелыми и громоздкими В 40—60-х годах XIX века французская
фирма «Альянс» выпускала машины постоянного тока с расположенными
в ряд 40—50 постоянными магнитами и соединенными последовательно

или параллельно несколькими десятками катушек, расположенных на
якоре. Такие машины мощностью 6—10 л. с. весили около 4 т. Большую
часть массы машины составляли постоянные магниты.

Машины с самовозбуждением, в которых обмотка возбуждения под-
ключалась к якорю, появились после 1867 г., когда В. Сименс применил
принцип самовозбуждения для генератора последовательного возбужде-
ния. Первые патенты на самовозбуждение были получены С. Хиортом в
1854 г. и А. Иедаиком в 1856 г.

В 1870 г. немецкий ученый 3. Грамм получил патент на самовозбуж-
дающийся генератор с кольцевым якорем (рис. 1.10). На кольцевом якоре
1, намотанном из стальной проволоки, располагалась кольцевая замкну-
тая обмотка 2. Отпайки от обмотки выведены на коллекторные пластины
3, по которым скользят щетки 4. На станине имеются электромагниты 5 с
полюсными наконечниками б. Обмотка возбуждения соединена последо-
вательно с обмоткой якоря и нагрузкой.

За 10 лет до Грамма якорь с кольцевой обмоткой запатентовал

итальянец А. Пачинотти, но не сумел его применить. Кольцевой якорь

принято называть якорем Па-
чинотти—Грамма, а распреде-
ленную обмотку называют
граммовской обмоткой.

Изобретение кольцевой
обмотки имело решающее
значение для развития элек-
трических машин. Если двига-
тель М. Фарадея по существу
был униполярной машиной,
которые в настоящее время
находят ограниченное приме-
нение, а в двигателе Б. С. Якэ-

Рис. 1.10. Электрическая машина с кольце-
вой обмоткой Пачинотти—Грамма

би обмотка якоря состояла из
катушек и была разомкнутой,
Рис. 1.11. Электрическая машина с бара-
банным якорем

то замкнутая обмотка является
основой почти всех современ-
ных машин. В разомкнутых
обмотках происходит отключе-
ние и включение катушек, при
этом почти вся энергия, запа-
сенная в магнитном поле, пре-
образуется в тепло. В граммов-
ской непрерывной обмотке при
коммутации, когда секции об-
мотки переходят из одной па-
раллельной ветви в другую,
магнитное поле практически
остается неизменным.

В 1873 г. Ф. Гефнер-Альте-
нек и В. Сименс создали маши-
ну с барабанным якорем, кото-
рая имела все основные эле-
менты современной машины
постоянного тока (рис. 1.11). В

машине Грамма обмотка якоря, намотанная вокруг тороидального сер-

дечника якоря, имела плохое использование, так как ЭДС наводилась

только в части витка, расположенной на внешней части сердечника якоря,
обращенной к полюсам. В якоре В. Сименса обе стороны витка обмотки

располагались на внешней части сердечника, что обеспечивало лучшее

использование меди и технологичность изготовления машины.

В 1880 г. Т. Эдисон предложил сделать якорь машины постоянного
тока шихтованным из стальных изолированных друг от друга листов. В
том же году для улучшения охлаждения X. Максим предложил разделять
якорь на пакеты. В 1884 г. была предложена компенсационная обмотка, а
в 1885 г. — дополнительные полюсы, которые улучшали коммутацию
машины постоянного тока

До конца 70-х годов прошлого века электрическая энергия применялась
для освещения, и переменный ток долго не находил применения. Большое
влияние на развитие однофазных сетей переменного тока имели работы рус-
ского изобретателя П. Н. Яблочкова, который предложил свечу для освеще-
ния улиц и помещений (1878 г.), индукторный генератор (1877 г.) и однофаз-
ный трансформатор с разомкнутым сердечником (1876 г). Хотя еще М. Фара-
дей открыл закон электромагнитной индукции, а Б. С. Якоби и Г. Румкорф в
40—50-х годах использовали индукционные катушки, создание П. Н. Яблоч-
ковым силового трансформатора с двумя отдельными обмотками имело важ-
ное значение для развития электротехники.
Коэффициент трансформа-
ции в трансформаторе П. Н. Яб-
лочкова был равен 1. В 1882 г.
Л. Голяр и Э. Гиббс предложи-
ли однофазный трансформатор
с коэффициентом трансформа-
ции, не равным 1, и выдвижной

Рис. 1.12. Трансформатор О. Блати, М. Дэри
и К. Циперновского

сердечник, с помощью которого
плавно регулировалось напря-
жение. Братья Гопкинсоны в

Англии в 1884 г. создали однофазный трансформатор с замкнутым сер-
дечником и чередующимися обмотками высшего и низшего напряжений.
В 1885 г. венгерские электротехники О. Блати, М. Дэри и К. Ципернов-
ский создали кольцевой, броневой и стержневой трансформаторы,
имеющие высокие технико-экономические показатели. Они и ввели тер-
мин «трансформатор». В первых трансформаторах (рис. 1.12) сердечник I
выполняли из стальной проволоки. Обмотка низкого напряжения 2 нама-
тывалась ближе к сердечнику, а на нее наматывалась обмотка высокого
напряжения 3. Масляное охлаждение трансформаторов применено Д. Свин-
бергом в 1880 г.

Электроэнергетика в 70—80-х годах ХЕХ века делала первые впечат-
ляющие шаги. В 1879 г. В. Сименс на Берлинской выставке показал пер-
вую электрическую железную дорогу. В 1882 г. М. Депре передал на рас-
стояние 57 км 2 кВт напряжением 1500—2000 В постоянного тока.

Ф. Энгельс в 1883 г. по поводу этого писал: «...это колоссальная ре-
волюция. Паровая машина научила нас превращать тепло в механическое

движение, но использование электричества откроет нам путь к тому, что-
бы превращать все виды энергии: теплоту, механическое движение, элек-
тричество, магнетизм, свет, одну в другую и обратно и применять их в
промышленности... это открытие окончательно освобождает промынрген-
ность почти от всяких границ, налагаемых местными условиями, делает
возможным использование также и самой отдаленной водяной энергии, и
если вначале оно будет полезно только для городов, то в конце концов
оно станет самым мощным рычагом для устранения противоположности
между городом и деревней»*.

Системы однофазного переменного тока хотя и позволяли переда-
вать энергию на большие расстояния, не решали проблемы применения
переменного тока в промышленности. Однофазные двигатели переменно-
го тока не имели пускового момента, имели низкие энергетические пока-

затели и не годились для применения в электроприводах.

К. Маркс и Ф. Энгельс. Соч., изд. 2-е, т. 35, с. 374.
В конце 80-х годов Г. Фер-
рарис и Н. Тесла создали двух-
фазный двигатель переменного
тока, вращающееся магнитное
поле в котором создавалось ка-
тушками, сдвинутыми в про-
странстве на 90°, и токами, сдви-
нутыми по фазе относительно
друг друга на 90°, Модель двух-
фазного двигателя Г. Феррари-
са показана на рис. 1.13.

В 1889 г. выдающийся рус-
ский электротехник М. О. Доливо-
Добровольский предложил трех-
фазную систему переменных то-

Рис. 1.13. Модель двухфазного асинхрон- ков и в том же Г0ДУ построил
кого двигателя Феррариса	первый трехфазный асинхронный

двигатель и трансформатор.

В качестве источника трехфазного тока М. О. Доливо-Добровольс-
кий использовал машину постоянного тока, сделав три отпайки от обмот-
ки под углом 120° и выведя их на три кольца. Весной 1889 г. был постро-
ен первый асинхронный трехфазный двигатель с короткозамкнутым ро-
тором мощностью 180 Вт. Затем начали изготовляться более мощные
двигатели с короткозамкнутой и фазной обмотками на роторе (рис. 1.14).

Рис. 1.14. Общий вид двигателя М. О. Доливо- Добровольского
Трехфазный трансформатор был построен сначала с радиальным
расположением обмоток, а в 1891 г. М. О. Доливо-Добровольский полу-
чил патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями,
расположенными в одной плоскости. Такая конструкция трансформатора
применяется и в настоящее время.

Уже в 1891 г. на Международной электротехнической выставке была
осуществлена передача трехфазным переменным током 230 кВ А при
напряжении 15 кВ на расстояние 170 км. Максимальный КПД передачи
был 75,2%. Трехфазная система переменного тока с начала 90-х годов
прошлого века прочно вошла в энергетику.

В 1899 г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенерато-
ром мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрас-
ли промышленности. Стали строиться мощные электрические станции,
крупные синхронные и асинхронные машины и трансформаторы. Впо-
следствии отдельные станции объединились в энергосистемы, мощности
которых достигли сотен миллионов киловатт. В XX в. наряду с другими
отраслями промышленности бурно развивалась электротехническая про-
мышленность.

Мощности машин возросли в 100 и 1000 раз, расход материалов на
единицу мощности был уменьшен в 10—100 раз. Были созданы для раз-
личных областей техники уникальные электрические машины не только
как силовые преобразователи, но и как индикаторные устройства для
точнейших навигационных и других систем автоматики.

В последние десятилетия ежедневно патентные организации во
всем мире выдают патент с названием «Электрическая машина».
Трудно выделить из этого потока выдающиеся изобретения, так как
слишком много было создано уникальных электромеханических
систем, позволивших решить сложнейшие технические проблемы.
Электрические машины прочно вошли во все сферы нашей жизни.
Человек быстро к ним привык и в век урбанизации на фоне других
удивительных достижений перестал их замечать. В середине XX в.
происходило слияние электрических машин с машинами-орудиями и
управляющими элементами, магнитными усилителями и полупроводни-
ковыми преобразователями. Развивалось специальное машиностроение.
Появились электромашинные усилители, различные исполнительные дви-
гатели, шаговые двигатели, импульсные генераторы, МГД-генераторы и
многие другие уникальные электрические машины. Однако создатели их,
как правило, делая исторический обзор, указывали на аналоги, хотя и не
очень схожие созданные изобретателями, жившими в XIX веке.

Начав свою историю с машин, в которых электромеханическое
преобразование энергии осуществлялось в электрическом поле, в XIX
и XX вв. электромеханика достигла поразительных успехов благодаря
индуктивным электрическим машинам, в которых преобразование
энергии осуществляется магнитным полем. За это время в области
емкостных машин были лишь отдельные удачные технические реше-
ния. В 1870 г. Уимшерст создал машину трения, которая демонстри-
руется в школах на курсах физики. В 1936 г. Ван-де-Грааф построил
генератор напряжением 6 млн. В и мощностью 6 кВт, который приме-
няется в испытательных установках для получения высоких постоян-
ных напряжений. Как силовые преобразователи емкостные машины,
несмотря на усилия выдающихся физиков А. Ф. Иоффе, Н. Д. Папа-
лекси, Л. И. Мандельштама и др., не нашли практического примене-
ния. Но это не значит, что у емкостных машин нет будущего, они таят
в себе большие возможности и должны внести свой вклад в развитие
электромеханики.

Параллельно с созданием электрических машин развивалась теория
электромеханического преобразования энергии. Почти все выдающиеся
ученые XVIII и XIX вв. внесли свой вклад в развитие электротехники.
Теории электрических машин касались М В. Ломоносов, А. Ампер,
Г. Ом, Д. Джоуль, Э. Ленц, Г. Гельмгольц и другие выдающиеся физики.

Особые заслуги в развитии электромагнитной теории принадлежат
Д. К. Максвеллу, который в «Трактате об электричестве и магнетизме»
(1873 г.) изложил математическую теорию электромагнитного поля.
Уравнения Максвелла описывают теорию поля и являются фундаментом
теории электромеханического преобразования энергии.

Большое значение для развития теории электрических машин имели
работы профессоров Н. А. Умова и Д. Пойнтинга.

Первой теоретической работой по проектированию электрических
машин можно считать работу Э. Арнольда по теории и конструированию
обмоток, вышедшую в 1891 г.

Важное значение имели работы Г. Феррариса по теории транс-
форматоров и однофазных двигателей (1893 г.). Большое значение
имели работы М. О. Доливо-Добровольского, создавшего основы тео-
рии и проектирования трансформаторов, им заложены основы проек-
тирования асинхронных машин (1893 г.). Теорией трансформаторов в
90-х годах прошлого века плодотворно занимались Г. Каппа, Бен-
Эшенбург и др.

Круговую диаграмму асинхронной машины предложил А. Гейланд
(1894 г.), а более точную диаграмму — Осанна (1900 г.). Математическое
доказательство существования круговой диаграммы асинхронной маши-
ны дал К. А. Круг в 1907 г.

Большое значение для развития теории электрических машин имело
введение в 1897 г. И. Штейнметцом символического метода и в 20-х го-
дах нашего века Фортескью — метода симметричных составляющих.
К 30-м годам трудами многих ученых, и в первую очередь Э. Ар-
нольда, А. Блонделя, М Видмара, Л. Дрейфуса, К. А. Круга, В. С. Кулеба-
кина, Р. Рихтера, К. И. Шенфера и др., была создана классическая теория
установившихся режимов электрических машин. К этому времени были
написаны классические учебники по всем разделам электрических ма-
шин, в которых излагалась теория установившихся режимов электриче-
ских машин.

В довоенные и послевоенные годы большой вклад в развитие теории
электрических машин внесли советские ученые В. П. Апаров, А. И. Воль-
дек, В. Т. Касьянов, М. П. Костенко, А. Н. Ларионов, Р. А. Лютер, Г. Н. Пет-
ров, Л. М. Пиотровский, П. С. Сергеев, В. А. Толвинский и др.

Важной вехой в развитии теории электрических машин является по-
явление в 30—40-х годах работ Г. Крона по общей теории электрических
машин. Г. Крон предложил модель и уравнения обобщенной машины, из
которых могут быть получены уравнения всех видов индуктивных ма-
шин. Обобщения, сделанные Г. Кроном, значительно продвинули теорию
электрических машин.

В последние десятилетия вычислительные машины позволили ре-
шать сложные системы дифференциальных уравнений, описывающие
переходные и установившиеся режимы электрических машин с учетом
нелинейностей, несинусоидальности питающего напряжения, многих
контуров на статоре и роторе и других факторов, которые ранее при ана-
лизе процессов преобразования энергии не учитывались [4].

Трудами многих ученых — Б. Адкинса, Г. Вудсона, А. А. Горева,
Л. Н. Грузова, Е. Я. Казовского, И. Ковача, Г. Н. Петрова, И. И. Трещева,
Д. Уайта и др. — теория переходных процессов электрических машин
продвинулась далеко вперед.

История развития электрических машин продолжается сегодня в
многотысячных производственных, научных и учебных коллективах элек-
тромехаников, созданных И. А. Глебовым, А. Г. Иосифьяном, И. М. Пост-
никовым, В. В. Романовым, Н. С. Сиуновым, Г. А. Сипайловым, Г. Н. Пет-
ровым и многими другими учеными [16].

В послевоенные годы достижения земной электромеханики были пе-
ренесены в Космос и появилось новое направление в развитии электро-
механики — космическая электромеханика. Успехи в развитии космонав-
тики обязаны достижениям космической электромеханики.

В середине 90-х годов автор перенес достижения космической элек-
тромеханики на астрофизические объекты и положил начало развитию
гео- и гелиоэлектромсханики — электромеханики планеты Земля [17].
i;

I

।

।

।

I-

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I

I
I

I

1.3.	Классификация электромеханических
преобразователей

Электрические машины преобразуют механическую энергию в элек-
трическую и обратно электрическую — в механическую. Электромехани-
ческое преобразование энергии одно из основных преобразований в ок-
ружающем нас мире. Это преобразование энергии используется в живой
и неживой природе и в созданных человеком электрических машинах.

Понятие электромеханический преобразователь более широкое, чем
электрическая машина. Принято считать, что электрические машины созданы
человеком и применяются в различных сферах его деятельности. Это же пре-
образование энергии природа использует как в мельчайших живых организ-
мах — бактериях и макрообъектах таких, как планеты и звезды [4,5].

Электрические машины — электромеханические преобразователи
(ЭП) — можно разделить на три класса: индуктивные электрические ма-
шины, в которых рабочим полем Является магнитное поле; емкостные
ЭП, в которых преобразование электрической энергии в механическую и
обратно осуществляется электрическим полем, и индуктивно-емкостные
ЭП, в которых электромеханическое преобразование осуществляется
магнитным и электрическим полями. Принципиальные схемы ЭП показа-
ны на рис. 1.15.

В индуктивных ЭП электромеханическое преобразование энергии
происходит за счет изменения индуктивности (потокосцеплений) обмо-
ток, а в емкостных ЭП — за
Индуктивные Емкостные счет изменения емкости. Ин-
(магнитное поле) (электрическое поле) дуктивно-емкостные ЭП в про-
стейшем случае представляют
собой объединение в одну
электромеханическую систему
движущихся частей и электри-
ческих цепей индуктивной и
емкостной машин (рис. 1.15).

В индуктивных ЭП энер-
гия концентрируется в магнит-
ном поле, а в емкостных — в
электрическом поле. В индук-
тивно-емкостных машинах пре-
образование энергии происхо-
дит в магнитном и электриче-
ском полях.

Рис. 1.15. Классы электромеханических
преобразователей

На рис. 1.16 на шкале еди-
ничной мощности ЭП от нуля
Рис. 1.16. Области предпочтительного распространения ЭП

до бесконечности представлены предпочтительные области существова-
ния ЭП различных классов. На этой шкале мощностей есть две замеча-
тельные точки: 10'17 Вт — мощность ворсинки бактерии и 109 Вт —
мощность турбогенератора — самой мощной электрической машины,
созданной человеком.

Хотя ЭП с электрическим рабочим полем появились раньше индук-
тивных, они как силовые ЭП не нашли промышленного применения.
Сделаны пока лишь робкие попытки создания индуктивно-емкостных ЭП
при использовании магнитострикционного и пьезоэлектрического эффектов.

Емкостные и индуктивно-емкостные ЭП будут немного рассмотрены
в гл. 8 учебника. Дальше рассматриваем только индуктивные электриче-
ские машины, которые получили господствующее положение во всех
сферах жизни современного общества.

Все разновидности индуктивных электрических машин по роду
питания можно разделить на машины переменного и постоянного тока.

Машины переменного тока делятся на синхронные и асинхронные (не-
синхронные), коллекторные машины переменного тока и трансформаторы.

В синхронных машинах угловая скорость ротора сор и угловая ско-
рость магнитного поля сас равны друг другу.

В асинхронных машинах угловая скорость ротора не равна угловой
скорости поля: ©р <вс. При этом сор может быть меньше или больше
угловой скорости поля. Направления вращения ротора и поля статора
могут быть противоположными.

Коллекторные машины переменного тока отличаются от асинхронных и
синхронных машин тем, что имеют механический преобразователь частоты и
числа фаз — коллектор, который соединен с обмоткой статора или ротора.

Трансформаторы — электромагнитные преобразователи энергии. В
них не происходит преобразования электрической энергии в механиче-
скую и обратно, а имеет место преобразование электрической энергии
одного вида в другой. Трансформаторы выполняются таким образом, что
обмотки не могут перемещаться относительно друг друга.

По режиму работы электрические машины делятся на гене-
раторы и двигатели.

В генераторах механическая энергия, подводимая к валу машины,
преобразуется в электрическую энергию.

В двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую
энергию.

Одна и та же электрическая машина Аожет работать и двигателем, и ге-
нератором. Однако у генераторов и двигателей обычно имеются конструк-
тивные отличия и на заводском щите машины указывается режим работы.

Синхронные машины могут работать в режиме потребления или от-
дачи в сеть реактивной мощности. Такие машины называются синхрон-
ными компенсаторами.

Электрические машины, как правило, выполняются с одной вра-
щающейся частью — ротором и неподвижной частью — статором. Когда
вращается только ротор, машина имеет одну степень свободы. Такие ма-
шины называются одномерными.

Электромагнитный момент в электрических машинах приложен и к
ротору, и к статору. Если дать возможность вращаться обеим частям ма-
шины, они будут перемещаться в противоположные стороны. У машины,
в которой может вращаться и ротор, и статор, — две степени свободы.
Это двухмерные машины. В навигационных приборах ротором может
быть шар, который вращается двумя статорами, расположенными под
углом 90°. Такие машины имеют три степени свободы. В космической
электромеханике приходится рассчитывать шестимерные электромеха-
нические системы, в которых статор и ротор имеют три степени свободы.

Электрические машины могут иметь возвратно-поступательное дви-
жение. Однако в машинах с возвратно-поступательным движением статор
и ротор разомкнуты и магнитное поле отражается от краев, что приводит
к искажению поля в воздушном зазоре. Краевой эффект в линейных элек-
трических машинах ухудшает энергетические показатели. Низкие энерге-
тические показатели ограничивают применение электрических машин с
возвратно-поступательным движением.
Рис. 1.17. Преобразование машины традиционной конструкции в машину с сег-
ментным статором и линейную машину

На рис. 1.17, а—в показано, как из обычной машины с цилиндриче-
ским статором и ротором получаютсг машины с сегментным статором и
линейные электрические машины. Линейная машина получается при уве-
личении диаметра ротора сегментной машины до бесконечности. Линей-
ные двигатели находят применение для получения линейных перемеще-
ний. В генераторном режиме линейные машины практически не приме-
няются.

Особое место среди ЭП занимают индикаторные машины автомати-
ческих устройств. Это различные датчики, преобразователи цифровой
информации в угловые и линейные перемещения, приборы времени и
другие электромеханические устройства навигационных систем.

Бесчисленны конструктивные исполнения электрических машин, ко-
торые работают под водой, в космосе, под землей и в обычных условиях.
Почти все индуктивные электрические машины имеют вращательное
движение, причем обычно вращается одна часть машины — ротор, а ста-
тор неподвижен. Однако находят применение и машины с возвратно-
поступательным, колебательным, импульсным движением ротора. Ис-
пользуются машины с жидким и газообразным роторами.

1.4.	Основные конструктивные исполнения
электрических машин

Независимо от рода питания — постоянного или переменного тока —
электрические машины можно разделить на явнополюсные и неявнопо-
люсные. В неявнополюсных машинах, т. е. с неявновыраженными полю-
сами, воздушный зазор равномерный и магнитные сопротивления во всех
направлениях одинаковы (рис. 1.18, а). Обмотка возбуждения распреде-
лена по различным пазам. В явнополюсных машинах, т. е. с явновыра-
женными полюсами и сосредоточенной обмоткой возбуждения, имеются
Рис. 1.18. Машины с неявновыраженными (я) и
явновыраженными полюсами (б)

четко выраженные продоль-
ные и поперечные оси с
различными воздушными за-
зорами и магнитными сопро-
тивлениями (рис. 1.18, б). Со-
средоточенная катушечная
обмотка возбуждения может
располагаться на статоре и
роторе.

Наибольшее распро-
странение получили элек-
трические машины с неяв-
новыраженными (рис. 1.19, а)

и явновыраженными (рис. 1.19, б, в) полюсами. Асинхронные машины —

это чаще всего машины с неявновыраженными полюсами. Синхронные

машины могут иметь явновыраженную магнитную систему на роторе
(рис. 1.19, б). Магнитная система с явновыраженными полюсами на ста-
торе характерна для машин постоянного тока (рис. 1.19, в). Явновыра-

женная конструкция полюсов на статоре и роторе принадлежит индук-
торным или параметрическим машинам (рис. 1.19, г), в которых преобра-
зование энергии осуществляется за счет периодического изменения маг-
нитного сопротивления воздушного зазора.

На рис. 1.20 в разобранном виде показан асинхронный двигатель се-
рии 4А. Статор и ротор двигателя неявнополюсные. Магнитопровод ста-
тора набирается из листов электротехнической стали и имеет пазы, в ко-
торые укладывается обмотка. Ротор также шихтованный. В пазах статора
помещается короткозамкнутая или фазная обмотка.

Магнитопроводы выполняются шихтованными, если по статору за-
мыкается переменный поток, и массивными, если по магнитопроводу
замыкается постоянный поток.

В синхронных машинах в роторе замыкается постоянный поток, по-
этому ротор турбогенератора выполняется литым, а обмотка возбуждения

Рис. 1.19. Основные конструктивные исполнения электрических машин
укладывается в пазы, профре-
|грованные в бочке ротора.

В машинах постоянного
чока (рис. 1.21) литая (или ших-
тованная) станина 1 является
одновременно и магнитопрово-
дом. К станине крепятся глав-
ные полюсы 2 с обмотками
возбуждения 3 и добавочные
полюсы с обмотками. Якорь
машины постоянного тока 4
вращается в неподвижном по-

Ри 1.20. Асинхронный двигатель серии 4А

ле, поэтому сталь магнитопро-

вода якоря перемагничивается. Для уменьшения потерь от вихревых по-
токов магнитопровод якоря выполняется шихтованным. Обмотка якоря 5
подсоединяется к коллектору 6. По коллектору скользят щетки 7, распо-
ложенные в щеткодержателях. Остальные обозначения: 8 — вентилятор, 9 —
щит подшипниковый, 10 — вал.

Обычно ротор находится внутри статора. Иногда ротор располагает-
ся снаружи цилиндрического статора. Такие машины называются маши-

Рис. 1.21. Машина постоянного тока
нами с внешним ротором. Машины с внешним ротором имеют повышен-
ный момент инерции, их применяют в приводах транспортеров и там, где
требуется большой момент инерции.

В некоторых применениях машины постоянного тока могут быть с
вращающимися обмотками возбуждения, синхронные машины — с не-
подвижными обмотками возбуждения. Такие машины принято называть
обращенными.

По форме исполнения в соответствии с ГОСТом машины делят на
восемь групп. Восемь групп форм исполнения электрических машин де-
лятся на 49 видов, включающих 161 форму исполнения. В табл. 1.1 даны
наиболее распространенные виды электрических машин.

Таблица 1.1

Вид машины	Обозначе- ние вида машин по ГОСТу	Вид машины  )	Обозначе- ние вида машин по ГОСТу
На лапах с двумя подшип- никовыми щитами	мю	Встраиваемые, без станины и подшипниковых щитов	М53
На лапах с двумя подшипни- ковыми щитами и с фланцем на подшипниковом щите	М21.М22	На лапах с двумя подшипни- ковыми щитами и одним стояковым подшипником	М60
Без лап, с фланцем на под- шипниковом щите, фланец	МЗО	На лапах, с одним стояковым подшипником	М70
со стороны конца вала, цен- трирующая заточка там же		На лапах, с двумя стояковыми подшипниками	М73
Без лап, с фланцем на ста- нине, фланец со стороны	М40	Вертикальные большой мощ- ности:	
конца вала, центрирующая заточка там же		а) с направляющим подшип- ником	М80
Встраиваемые, без станины или со станиной, с двумя подшипниковыми щитами и	М50	б) с подпятником, располо- женным ниже корпуса ротора (зонтичное исполнение)	М81
с креплением на образую- щей наружной поверхности станины		в) с подпятником, располо- женным выше корпуса ротора (подвесное исполнение)	М82

По ГОСТу имеются исполнения по степени защиты персонала от со-
прикосновения с токоведущими и движущимися частями, попадания по-
сторонних тел внутрь машины, а также степени защиты от проникнове-
ния воды внутрь машины.

Кроме того, выпускаются взрывозащищенные машины, влагостойкие
электрические машины для работы при большой влажности, морозостой-
кие, химостойкие и в тропическом исполнении [12].
В конструктивном отношении машины
различаются также по способу охлаждения.
В машинах с естественным охлаждением
циркуляция воздуха осуществляется за счет
вентилирующего действия вращающихся
частей и конвекции. В машинах с самовен-
 иляцией на валу имеется вентилятор. В
обдуваемых закрытых машинах осуществ-
ляется принудительное охлаждение только
внешней поверхности машины. В проду-
ваемых машинах воздух омывает активные
части машины и выбрасывается наружу.
Машины с внутренней вентиляцией делятся
на машины с аксиальной, аксиально-ради-
альной и радиальной вентиляцией.

Для охлаждения машины могут при-

Рис. 1.22. Торцевая электри-

ческая машина:

1 — магнитопровод статора; 2 —
обмотка статора; 3 — постоян-
ные магниты; 4 — магнитопро-
вод ротора; 5 — станины; 6 —
вал; 7 — подшипники; 8 — крыш-
ки подшипников

меняться воздух, водород, масло и вода.
Охлаждение может осуществляться за счет
испарения жидкостей. В последнее время
широко применяется внутреннее (непо-
средственное) охлаждение, когда охлаж-
дающий агент проходит по специальным

каналам внутри проводников [7].

Находят применение торцевые электрические машины, в которых
статор и ротор имеют форму дисков (рис. 1.22). Энергия магнитного поля

в торцевых машинах концентрируется в промежутке между дисками.

Конструктивные видоизменения индукторных машин весьма разно-
образны. Наибольшее распространение получила конструкция индуктор-

ной машины с двумя роторами 1

Рис. 1.23. Конструктивное выпол-
нение индукторной машины

и статорами 2 (рис. 1.23). При сдвиге
ротора на 90° общее магнитное со-
противление машины не изменяется и
в обмотке возбуждения 3 не наводит-
ся переменная составляющая напря-
жения. При этом с обмоток перемен-
ного тока 4, расположенных на полю-
сах каждого статора, снимается пере-
менное напряжение. Поток возбужде-
ния машины замыкается по корпусу
статора 5 и втулке ротора 6, насажен-
ной на вал 7.

Для получения больших посто-
янных токов (до 100 кА) при низких
напряжениях применяются унипо-
лярные машины (рис. 1.24). В таких
машинах отсутствует коллектор, но
они принципиально не могут рабо-
тать без скользящего контакта, кото-
рый состоит из щеток 1 и колец 2.
Постоянный магнитный поток замы-
кается по станине 3, массивному ро-
тору 4 и двум магнитным зазорам.
Поток возбуждения (показан на рис.

1.24 штриховой линией) создается обмоткой возбуждения 5. Постоянные
токи наводятся в массивном роторе и снимаются щетками. Чтобы умень-

шить электрические потери, на роторе делаются пазы, в которые уклады-
ваются медные стержни. Медные стержни привариваются к контактным
кольцам, образуя на роторе короткозамкнутую обмотку.

В электромагнитных преобразователях — трансформаторах — об-
мотки располагаются так, чтобы исключить перемещение их относитель-
но друг друга. Переменный поток замыкается по шихтованному магнито-
проводу. Для ограничения токов короткого замыкания применяют реак-
торы, которые представляют собой индуктивную катушку со сталью или
без стали (см. гл. 2).

В последние годы для концентрации энергии магнитного поля и хра-
нения ее применяют сверхпроводящие индуктивные накопители. В таких
индуктивных катушках в небольших объемах удается концентрировать
энергию до 100 МДж за счет магнитных полей до 5 Тл.

Выше были рассмотрены лишь основные конструкции электриче-
ских машин. В специальных машинах видоизменения бесконечны.
Более подробно конструкции электрических машин переменного и
постоянного тока рассматриваются при изучении соответствующих
разделов курса.

В справочнике по электрическим машинам приведено свыше десяти
тысяч исполнений и типоразмеров электрических машин [12].

1.5. Законы электромеханики

Электромеханика является одним из разделов физики, в котором
рассматривается электромеханическое преобразование энергии. В элек-
тромеханических преобразователях (ЭП) — электрических машинах —
осуществляются технические применения электромеханического преоб-
разования энергии.
Электромеханика является фундаментальной наукой, для которой
могут быть сформулированы законы. Таких законов, на наш взгляд, три.

Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не
может осуществляться с КПД, равным 100%.

Мы не сделаем большой ошибки, если скажем, что окружающий нас
мир состоит из преобразователей энергии. Все преобразователи энергии

можно разделить на простые и сложные.

В простых преобразователях энергия одного вида полностью преоб-
разуется в энергию другого вида. Примером такого преобразователя мо-
жет служить электрическая печь, в которой электрическая энергия полно-
стью преобразуется в тепло.

В сложных преобразователях, а их большинство, энергия одного ви-
да преобразуется в энергию двух (реже трех или нескольких) видов. К
сложным преобразователям относятся преобразователи световой энергии
в электрическую, химической энергии — в механическую, ядерной энер-
гии — в электрическую и др. В сложных преобразователях обычно есть
сопутствующее преобразование энергии в тепло.

Говоря о КПД, следует отметить, что вкладывается в понятие полез-
ного действия. Инженеры, занимающиеся электропечами, вводят понятие

КПД печи, считая, что только часть тепла расходуется на технологиче-
ский процесс. Поэтому КПД электропечи в этом смысле не равен 100%.

В электрических машинах энергия, преобразующаяся в тепло, отно-
си"ся к потерям, и КПД есть отношение электрической мощности, отда-
ваемой в сеть, к механической (режим генератора) или отношение полез-
ной механической — к электрической мощности, забираемой из сети
(режим двигателя).

Электромеханические преобразователи энергии относятся к слож-
ным преобразователям, так как электромеханическое преобразование
| энергии в них всегда сопровождается преобразованием электрической Рэл
। или механической Рмех энергии в тепловую Рт (рис. 1.25).

В самом общем виде ЭП (или электрическую машину) можно пред-
ставлять как шестиполюсник с внутренним сопротивлением z3n и двумя
электрическими, двумя механическими и
двумя тепловыми выводами.

При создании ЭП стремятся уменьшить
потери — потоки тепловой энергии, что
приводит к уменьшению габаритов и уде-
шевлению электромеханических преобразо-
вателей. Созданы электрические машины с

Рис. 1.25. Направления по-
токов энергии в электриче-
ской машине

КПД, равным 99%, а в трансформаторах
достигнут КПД, равный 99,8%. Такие высо-
кие КПД являются исключительным техни-
ческим достижением. Следует иметь в виду, что высокие КПД имеются в
электрических машинах большой мощности. В ЭП небольшой мощности
КПД может составлять всего несколько процентов, т.е. большая часть
механической или электрической энергии в таких машинах преобразуется
в тепло.

Для электрических машин, в которых осуществляется электромеха-
ническое преобразование энергии, предложено математическое описание,
адекватно отражающее процессы, происходящие в машине. Математиче-
ские модели — уравнения, описывающие преобразование энергии в элек-
трических машинах, — весьма разнообразны. Наиболее общее математи-
ческое описание процессов преобразования энергии в электрических ма-
шинах дают дифференциальные уравнения, которые справедливы для
переходных и установившихся процессов. При исследовании электриче-
ских машин, как и при исследовании других физических объектов, целе-
сообразно работать с математической моделью и реальной машиной.

Уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических
машинах, не имеют решения, если активные сопротивления, входящие в
эти уравнения в виде коэффициентов перед переменными, равны нулю.
Если математическая модель не дает решения, то и реальная машина не
должна преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно.

Нельзя создать электрическую машин^, в которой вся энергия пре-
образовывалась бы из электрической в механическую или, наоборот, из
механической в электрическую, а преобразование энергии в тепло отсут-
ствовало бы. Чтобы не было в электрической машине преобразования
энергии в тепло, машина должна быть выполнена без стали, со сверхпро-
водящими обмотками и без механических потерь. Такое электротехниче-
ское устройство построить можно. Однако оно будет не электромехани-
ческим преобразователем, а накопителем энергии.

Накопители по своей конструкции близки к электрическим машинам.
Накопители энергии могут быть выполнены как статические устройства и
как вращающиеся машины; примером может служить гироскоп со сверх-
проводящими обмотками. Это электрическая машина, которая могла бы
вращаться бесконечно долго, так как в ней практически нет потерь. Но если к
ее валу приложить момент сопротивления, то она остановится. Нормальным
состоянием ЭП является вращение, и гироскоп со сверхпроводящими обмот-
ками может вращаться вечно, не создавая электромагнитного момента.

Электромеханика — наука о замкнутых контурах. Электромеханиче-
ский преобразователь можно представлять как шестиполюсник (рис. 1.26)
с двумя электрическими выводами, характеризуемыми напряжением U и
частотой f с двумя механическими выводами, определяемыми моментом
М и частотой вращения — механической частотой и, а также тепловым
контуром, характеризуемым количеством тепла Q и температурой t.
и

Рис. 1.27. Представление электрической
машины в виде четырехполюсника

Q f

Рис. 1.26. Представление электриче-
ское ыаилшь» ? ;аде шестиполюсника

При анализе процессов преобразования энергии в электрической
машине считают внешние сопротивления электрической, механической и
тепловой цепей равными нулю. При этом электрическая сеть считается
сетью бесконечной мощности и поэтому изменение режима работы элек-
трической машины не влияет на изменение напряжения и частоты. Нагрев
машины не влияет на температуру окружающей среды. Механическая
нагрузка на валу обычно считается постоянной.

При исследовании электрических машин нельзя забывать об элек-
трической сети, в которой могут изменяться внутреннее сопротивление, а
также частота и напряжение. Машина может работать в ограниченном
пространстве, и температура среды, окружающей машину, может изме-
няться. Изменение инерционных масс на валу машины и момента нагруз-
ки также влияет на работу машины.

• Нельзя подходить формально к законам электромеханики, так как
может показаться, что машины со сверхпроводящими обмотками не бу-
дут работать. Это не так. Можно представить электрическую машину без
потерь (без стали со сверхпроводящими обмотками), но для того чтобы
осуществлялось преобразование энергии в такой машине, необходимо
активное сопротивление, которое может быть включено в контуры тока
вне машины. Здесь потери вынесены из машины в электромеханическую
систему, и в машине со сверхпроводящими обмотками будет происходить
электромеханическое преобразование энергии.

В большинстве исследований тепловой контур рассматривается как
имеющий бесконечный объем с неизменной температурой. Поэтому элек-
тромеханический преобразователь можно представлять как четырехпо-
люсник с внутренним сопротивлением аэп (рис. 1.27), с двумя электриче-
скими выводами напряжением U и электрической частотой/ а также двумя
механическими выводами — моментом на валу М и частотой вращения п.
Электрическая машина в виде четырехполюсника с двумя электрическими и
двумя механическими выводами и внутренним сопротивлением аэп = 0 рас-
сматривается при решении задач электромеханики, когда процессы преобра-
зование энергии внутри машины не имеют определяющего значения.

При работе электрической машины в ней выделяется тепловая энер-
гия. Однако можно создать электрическую машину, в которой за счет
эффекта Пельтье внутри машины на холодных спаях поглощается тепло и
которая не нагревается и даже может охлаждаться. При этом на горячих
спаях, расположенных вне машины, выделяется тепловая энергия. К со
жалению, существующие спаи проводниковых материалов обеспечиваю!
охлаждение при низких плотностях токов, что приводит к значительному
увеличению габаритов машины и снижению энергетических показателен
Этот пример свидетельствует о том, что тепловые контуры, так же как
механические и электрические, в электрической машине надо рассматрп
вать как замкнутые.

Второй закон. Все электрические машины обратимы, т.е. они Moiyi
работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

Работа электрической машины в двух режимах является важнейшим
преимуществом электромеханических преобразователей перед другими
преобразователями энергии (паровыми турбинами, дизелями, реактивны
ми двигателями и т.п.). Одна и та же машина может работать и в двига
тельном, и генераторном режиме. Например, двигатель электровоза при
ускорении состава забирает энергию из сети и работает в двигательном
режиме, а при торможении — отдает электрическую энергию в сеть, ра
ботая в генераторном режиме. Режим работы электрической машины за
висит от момента сопротивления на ее валу.

Если электрическая энергия потребляется из сети, электрических
машина работает в режиме двигателя (ск рис. 1.25, а). Если поток меха-
нической энергии, поступающей через вал, преобразуется в поток элек
тромагнитной энергии, устанавливается генераторный режим работы (см
рис. 1.25, б).

В индуктивных электрических машинах обмотки статора и ротора
связаны магнитным полем. Чтобы осуществлялась связь вращающихся
обмоток с неподвижными с помощью переменных или постоянных токов,
в воздушном зазоре машины создается вращающееся магнитное поле
Чтобы получить вращающееся поле при наличии постоянного тока, необ
ходимо вращать обмотку, в которой протекает постоянный ток. При он
ределенном расположении обмоток в пространстве и при определенном
сдвиге токов во времени относительно друг друга при неподвижных об
мотках можно в зазоре машины получить вращающееся поле.

Для создания магнитного поля в машинах переменного тока требует
ся реактивная мощность. В обмотках машины переменного тока прозе
кают активные и реактивные токи. Реактивные токи создают вращающее-
ся магнитное поле, а активные составляющие токов определяют активную
мощность машины. Реактивная мощность в установившемся режиме мо
жет поступать как со стороны статора, так и со стороны ротора или с
обоих входов машины одновременно. Направления активных и реактив
ных потоков энергии независимо от режима работы электрической ма
36
Цю । ищут совпадать или быть встречными. Это значит, что активная
М чини и- может поступать со стороны статора, а реактивная — со сто-
рины |хнора и наоборот.

II )11 имеет место режим преобразования электрической или меха-
ной энергии в тепло. Это режим холостого хода. Синхронные ма-
HIHH.I, работающие параллельно с сетью в режиме холостого хода, назы-
Мии синхронными компенсаторами.

Активная мощность в двигательном и генераторном режимах изме-
। направление, однако поток тепловой энергии, как правило, направ-
*«нНн не изменяет. Потери в обычных ЭП необратимы. Однако ЭП на-
► многообразны, что существуют специальные ЭП, преобразующие
Ml ю п электрическую и механическую энергию.

11ринцип действия таких ЭП основан на изменении магнитной или
Щмгкгрической проницаемости материала, в котором сосредоточена
*wpl «I магнитного или электрического поля. При этом изменение тем-
должно происходить вблизи точки Кюри.

Одним из следствий первого и второго законов является определение
сч.ксрических машин как концентраторов энергии. Электромагнитная
ия, распределяясь в бесконечности вдоль линии электропередачи, в
шиикгивных электрических машинах концентрируется в воздушном за-
Ц|*г —- пространстве между статором и ротором. В трансформаторах
нк ргия концентрируется в магнитопроводе и в пространстве между об-
м 11 кпми, где замыкаются потоки рассеяния.

В сравнительно небольшом объеме воздушного зазора могут концен-
1|>ир«ваться огромные мощности. Важно отметить, что в турбогенерато-
предельной мощности и в асинхронных машинах единой серии
^пгяьная мощность воздушного зазора равна примерно 0,5 Вт/мм3. С уче-
н>м этого проектирование электрических машин можно начинать с расче-
ta объема зазора, а затем рассчитывать обмотки и определять геометри-
•нч кие размеры магнитной системы.

Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии осу-
ществляется полями, неподвижными относительно друг друга.

Неподвижные относительно друг друга поля ротора и статора в воз-
оишом зазоре машины создают результирующее поле и электромагнит-
ный момент

ОО

|дс — угловая скорость поля; Рж — электромагнитная мощность —
мощность магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре.

Поля, неподвижные относительно друг друга, создают Л/эм, а поля,
перемещающиеся в воздушном зазоре относительно друг друга, создают
поток тепловой энергии, косвенно влияя на распределение потоков меха-
нической и электрической энергии. Увеличение потерь в машине приво-
дит к снижению КПД.

Обмотки электрических машин выполняются таким образом, что при
протекании по ним токов в воздушном зазоре создается вращающееся
магнитное поле. При проектировании электрических машин стремятся
получить в воздушном зазоре круговое поле, которое содержит только
одну гармонику. Такое поле называется также синусоидальным.

В синхронной машине вращающееся поле в большинстве случаев
создается обмотками, расположенными на статоре, и его угловая ско-
рость равна шс. Ротор вращается с такой же угловой скоростью, что и по-
ле (<Вр = юс) поэтому в обмотке ротора частота f2 = 0 и в ней протекает
постоянный ток. Поля статора и ротора в синхронной машине неподвиж-
ны относительно друг друга.

В машине постоянного тока обмотка возбуждения расположена на
статоре и поле возбуждения неподвижно. В якоре создается вращающееся
поле, частота вращения которого равна частоте вращения ротора, а на-
правление вращения поля противоположно вращению ротора. Поэтому
поля статора и ротора в машине постоянного тока неподвижны относи-
тельно друг друга.	)

В асинхронных машинах частота тока в роторе

A = /,s.	(1-2)

где скольжение (относительная скорость)

Поэтому сумма скорости ротора сор и скорости поля ротора относи-
тельно ротора всегда равна скорости поля <ос. Если ротор вращается со
скоростью, большей гос, в ту же сторону, что и поле, созданное токами
ротора, поле ротора движется в направлении, обратном вращению рото-
ра, и поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга.

В трансформаторах первичные и вторичные обмотки жестко закреп-
лены на стержнях магнитной системы и частоты напряжений в обмотках
одинаковые. Поэтому можно считать, что максимум потока в трехфазном
трансформаторе перемещается по стержням с одинаковой частотой отно-
сительно первичной и вторичной обмоток. Представление о неподвижно-
сти полей для анализа процессов преобразования энергии в трансформа-
торах не имеет большого значения.

Электрические и механические явления в большинстве электриче-
ских машин настроены в резонанс. В электрических машинах имеется
электромеханический резонанс, когда частота сети/i и механическая час-
тота вращения и, об/с, связаны соотношением
38


где p — число пар полюсов.

В двухполюсной машине частота сети и синхронная частота враще-
ния ротора равны друг другу. Электрические машины выполняются та-
ким образом, что волна МДС в воздушном зазоре укладывается целое
число раз, и процессы преобразования энергии в двухполюсных и много-
полюсных машинах протекают лишь с той разницей, что синхронная ско-
рость поля и механическая скорость ротора в многополюсной машине в р
раз меньше, чем в двухполюсной.

Электрические машины по своим видам разнообразны, и в емкост-
ных и индуктивно-емкостных машинах неподвижность полей относи-
тельно друг друга не имеет такого важного значения, как в индуктивных
машинах. Емкостные и индуктивно-емкостные машины наиболее ярко
представляются как концентраторы энергии, имеющие электромеханиче-
ский резонанс.

Электромеханика объединяет и использует все достижения в меха-
нике, электродинамике и теплофизике. Как и большинство технических
наук, как на трех китах на них основывается и электромеханика.

Так как электромеханика является частью физики, к электрическим
машинам применимы все основные законы физики. К ним в первую оче-
редь относятся законы сохранения энергии, полного тока, закон Ома и др.
В основе уравнений, описывающих преобразования энергии в электриче-
ских машинах, лежат уравнения Максвелла и Кирхгофа.

1.6.	Обобщенная электрическая машина

Из законов электромеханики следует, что все электрические машины
имеют общую основу: они преобразуют механическую энергию в элек-
трическую и обратно — электрическую — в механическую. При этом
поля ротора и статора неподвижны друг относительно друга.

Электрические машины представляют собой определенную комби-
нацию в пространстве обмоток, в которых протекают токи, сдвинутые во
времени также на определенный угол.

При проектировании стремятся получить в воздушном зазоре круговое
вращающееся магнитное поле, которое содержит только одну гармонику.
Вращающееся поле может быть создано двухфазной системой токов, если
неподвижные обмотки сдвинуты в пространстве на 90°; трехфазной системой
токов — при сдвиге обмоток в пространстве на 120° и токов во времени на
120°. В общем случае вращающееся поле создается zn-фазной системой токов
при сдвиге обмоток в пространстве на 360%и и токами со сдвигом во времени
Рис. 1.28. Модель обобщенной машины

на 36O°/zh. Вращающееся поле мо-
жет также создаваться и постоянным
током. При этом обмотка, обтекае-
мая постоянным током, должна
вращаться.

Обмотки возбуждения во всех
электрических машинах создают
магнитное поле, в котором проис-
ходит электромеханическое пре-
образование энергии, но активная
мощность поступает в воздушный
зазор со стороны вала или из элек-
трической сети. В установившемся
режиме от обмоток возбуждения
мощность не отбирается.

Магнитное поле в машинах переменного тока создается реактивны-

ми токами, которые также косвенно участвуют в процессе преобразова-

ния энергии.

Простейшей схемой электрической машины является двухфазная
машина с двумя парами обмоток на статоре и роторе (рис. 1.28). На рис.
1.28 обмотки статора wsa и и>р сдвинуты в пространстве и в магнитном

поле на 90° и обмотки ротора wra и Wp сдвинуты относительно друг дру-

га на 90°. К обмоткам статора приложены соответственно напряжения usa
и Wp, а к обмоткам ротора — напряжения и' и tip.

Чтобы в воздушном зазоре двухфазной машины получить вращаю-
щееся магнитное поле, необходимо к обмоткам статора или ротора под-
вести напряжения, сдвинутые во времени на 90°. Тогда в обмотках будут
протекать токи, сдвинутые во времени на 90°, и в воздушном зазоре поя-
вится вращающееся магнитное поле. Исходя из третьего закона электро-
механики — неподвижности относительно друг друга полей статора и
ротора — электромеханическое преобразование энергии будет возмож-
ным при определенном соотношении угловых скоростей

®с=®р±®пР.	(1-5)

где <ос, <0р, <оп р — угловые скорости поля статора, ротора и поля ротора
относительно ротора.

При этом условии в воздушном зазоре магнитные поля ротора и ста-
тора неподвижны относительно друг друга. При изменении юс или <вр из-
меняется частота токов в роторе (1.2), но поля статора и ротора остаются
неподвижными относительно друг друга.
В воздушном зазоре машины (рис. 1.28) круговое поле будет только
при определенных условиях. Чтобы поле было синусоидальным, необхо-
п имо на электрических выводах иметь синусоидальное напряжение, а
машина должна быть идеальной.

В идеальной электрической машине воздушный зазор равномерный
и 1 падкий (в машине нет пазов на роторе и статоре), обмотки выполнены
п виде токовых слоев, создающих синусоидальное распределение МДС в
воздушном зазоре. При этом машина не насыщена, магнитная проницае-
мость стали ц равна бесконечности. Машина симметричная, т.е. ее об-
мотки, магнитная система, воздушный зазор симметричны по осям аир.
Кривизна воздушного зазора не учитывается—поле плоскопараллельное.

Круговое поле в зазоре имеет место в идеальной машине. В реальных
машинах из-за несимметрии машины, несинусоидального распределения
МДС, наличия пазов на статоре и роторе, насыщения и ряда других при-
чин в воздушном зазоре машины имеется бесконечный спектр гармоник
поля. Высшие гармоники оказывают сложное влияние на процессы пре-
образования энергии в электрической машине, поэтому вначале необхо-
димо выяснить, как работает машина при наличии одного поля в зазоре.

Двухфазная двухполюсная идеальная машина (рис. 1-.28) называется
«бобщенной электрической машиной. Обобщенной электрической маши-
ной такая машина называется потому, что к ней приводятся процессы
преобразования энергии во всех основных типах индуктивных электриче-
ских машин.

В основе общей теорйи электрических машин лежат уравнения элек-
тромеханического преобразования энергии, которые адекватно описыва-
ют процессы в реальной машине.

Математические модели электрических машин получили широкое
распространение. Математическое моделирование процессов преобразо-
вания энергии в электрических машинах позволило углубиться в слож-
нейши s проблемы электромеханики [4].

Основателем обобщенной теории электрических машин является
Г. Крон, который в 30-х годах предложил уравнения обобщенной маши-
ны. В последние десятилетия благодаря применению ЭВМ усилиями
многих ученых-электромехаников обобщенная теория электрических ма-
шин получила дальнейшее развитие. Без преувеличений можно сказать,
что большинство успехов в теории и практике электромашиностроения
связан э с математической теорией электрических машин [4,10].

Рассмотрим двухполюсную машину, так как процессы преобразована
энергии в симметричных многополюсных машин; х можно свести к двух-
полюсной машине. На рис. 1.29 дана развертка магнитной системы четы-
рех полюсной машины 2р = 4, число пар полюсов в этой машине р = 2. На
двух полюсных делениях 4т этой машины форма магнитной индукции В
повторяется. Поэтому для
симметричной машины мож-
но подсчитать ЭДС, мощ-
ность и другие показатели в
зоне двух полюсов, а затем,
чтобы получить эти показа-
тели для всей машины, надо

Рис. 1.29. Процессы преобразования энергии их умножить на число пар
в многополюсной машине	полюсов р.

В многополюсных ма-
шинах синхронная частота вращения поля, об/мин, в р раз меньше:

<1.6)

р

где f—частота сети. При/= 50 и р = 1 лс = 3000 об/мин, при р = 2 пс =
= 1500 об/мин и т. д.

При изучении электрических машин пользуются понятием электри-
ческого угла, который связан с геометрическим углом следующим соот-
ношением:

а=/?а',	(1.7)

где а — электрический угол; а'—геометрический угол. Например, а = 360°
в четырехполюсной машине (р = 2) соответствует половине окружности,
а в шестиполюсной (р-3) — одной трети окружности и т.д.

В общей теории рассматривается двухфазная электрическая машина,
так как симметричные трехфазные многофазные обмотки приводятся
двухфазным, а минимальное число уравнений напряжения для двухфаз-
ной машины — четыре.

Основные типы электрических машин можно свести к обобщенной
электрической машине, представляющей собой комбинацию двух пар
обмоток, перемещающихся относительно друг друга (см. рис. 1.28).

Асинхронная (несинхронная) машина из схемы обобщенной машины
получается, когда к обмоткам статора w* и подводятся синусоидаль-
ные напряжения с частотой/;, сдвинутые во времени на 90°. В обмотках
ротора при этом проходят токи с частотой f2 = /js, которые создаются
приложенными к ротору напряжениями или наводятся токами обмоток
статора. В асинхронной машине угловая скорость ротора <ор Ф <вс, а поля
ротора и статора неподвижны относительно друг друга, так как сумма
угловых скоростей ротора и поля ротора относительно ротора равна сос.

Синхронную машину можно получить из модели обобщенной маши-
ны, если подвести к обмоткам статора переменное напряжение, а к об-
mi>i ним ротора — постоянное или,
ншмюрот, к статору— постоянное,
и к обмоткам ротора — переменное
иппряжение. При этом юр = ©с, т.е.
1И>||Я статора и ротора неподвижны
ппюсительно друг друга. Если по-
гонное напряжение подводится к
< опорным обмоткам, по ротору
ионе движется в сторону, противо-
положную вращению ротора, и

Рис. 130. Результирующая МДС двух
обмоток, обтекаемых постоянным током

ноля статора и ротора неподвижны
io носительно неподвижной систе-
мы координат.

Рис. 1.31. Схема машины постоянного тока

При питании обмоток постоянным током достаточно иметь одну об-
могку возбуждения, у которой результирующая МДС равна геометрической
। умме МДС каждой обмотки (рис. 1.30): F^ = у]F* +	. Выполнять одну

обмотку возбуждения wr вместо двух wra и выгоднее, так как при
юм требуется примерно в 1,4 раза меньше меди. Например, если Fa =
р = 1, F^ - Л , т.е. при увеличении объема меди в 2 раза F^ увели-
чивается всего в 41 раз.

В машинах постоянного тока в обмотке якоря протекает многофаз-
ный переменный ток, преобразованный коллектором — механическим
преобразователе и частоты ПЧ из постоянного тока. Если привести мно-
гофазную систему к двухфаз-
ной, получим схему машины
постоянного тока (рис. 1.31).
Как и в синхронной машине,
поле якоря вращается относи-
тельно якоря в противополож-
ную сторону. При <Вр = сос поле
якоря неподвижно относитель-
но обмотки возбуждения и не-
подвижной системы координат.
В синхронных машинах и ма-
шинах постоянного тока сколь-
жение равно нулю.

Коллектор можно заме-
нить преобразователем частоты
на полупроводниковых прибо-

рах, на герконах или на других
Рис. >.32. Схема коллекторной машины пе-

ременного тока

каких-либо элементах. В этом
случае процессы преобразова-
ния энергии в воздушном зазо-
ре принципиально не изменя-
ются, но при наличии коллек-
тора частота жестко связана со
скоростью cOj» а при наличии
полупроводникового преобра-
зователя можно создать гиб-
кую обратную связь между f2 и
Ир. По роду питания машина с
коммутатором на полупровод-
никовых приборах — это ма-
шина постоянного тока. Исто-
рически сложилось несколько
названий для таких машин —
вентильные, машины с полу-
проводниковыми коммутато-
рами, бесконтактные машины

постоянного тока и др.

В коллекторных машинах переменного тока в обмотках статора и ротора
проходят переменные токи, а преобразователь частоты работает в режиме
преобразования переменного тока частоты сети в переменный ток частоты
скольжения (рис. 1.32). Как и во всех электрических машинах, поля статора и
ротора неподвижны относительно друг друга. Эти машины могут быть одно-
фазными, трехфазными или многофазными; обмотки статора и ротора могут
соединяться последовательно или параллельно или иметь магнитную связь.

Преобразователь частоты при питании от сети переменного тока ра-
ботает в более тяжелых условиях, чем в режиме преобразования постоян-
ного тока в переменный. В коллекторных машинах переменного тока это
в первую очередь сказывается на коммутации и проявляется в бблыпем
искрении под щетками.

Из схемы обобщенной машины при скорости ротора сор = О можно
получить электромагнитный преобразователь — трансформатор. При
этом достаточно рассматривать отдельно пару обмоток на статоре и ро-
торе по оси а или Р, так как при неподвижном роторе отсутствует связь
между обмотками, смещенными в пространстве на 90°. Хотя в трансфор-
маторах происходит только электромагнитное преобразование энергии,
они относятся к электрическим машинам как из-за общности уравнений,
так и из-за близкой технологии изготовления.

В электромагнитных преобразователях, так же, как и в ЭП, активная
мощность может поступать из первичной обмотки во вторичную или,
«поборот, из вторичной в первичную. При этом реактивная мощность
может поступать из первичной или вторичной обмотки.

Из анализа обобщенной машины следует, что, несмотря на сущест-
венные отличия в конструкции и системе питающих напряжений, все
электрические машины объединяет одно общее — они являются электро-
механическими преобразователями. Когда электрическая машина не пре-
образует электрическую энергию в механическую или механическую в
электрическую, она является электромагнитным преобразователем. Одна
и та же электрическая машина может работать как синхронная и асин-
хронная, с преобразователем частоты от сети постоянного тока и пере-
менного тока, а также как электромагнитный преобразователь — транс-
форматор.

1.7.	Бесконечный спектр гармоник поля.
Обобщенный электромеханический
преобразователь

Для понимания процессов преобразования энергии необходимо
представлять, как изменяется форма поля в воздушном зазоре машины.
Представляя в первом приближении форму поля в зазоре плоскопарал-
лельной, можно считать, что поле изменяется от кругового (синусоидаль-
ного) до несинусоидального, состоящего из бесчисленного спектра выс-
ших гармоник.

Круговое поле в воздушном зазоре может быть только в идеальной
электрической машине. В реальных машинах в зазоре поле несинусои-
дальное. Несинусоидальное поле можно представить как результат нало-
жения бесконечного числа высших гармоник. Имея форму поля в воз-
душном зазоре, можно разложить ее в гармонический ряд и определить
амплитуду первой гармоники и амплитуды и частоты высших гармоник
индукции. Одна часть высших гармоник вращается в сторону вращения
основной гармоники, а другая — в противоположную сторону. Частоты
вращения высших гармоник могут равняться и быть ниже или выше час-
тоты вращения основной гармоники. Амплитуды и фазы высших гармо-
ник изменяются при изменении нагрузки, напряжения и частоты.

Существует много причин, вызывающих искажение поля и появле-
ние в зазоре высших гармоник. Высшие гармоники принято делить на
временные и пространственные. К временным гармоникам относятся те
гармоники, которые попали в воздушный зазор машины извне. Простран-
ственные гармоники появляются в зазоре за счет особенностей конструк-
ции и нелинейностей параметров машины.
Деление высших гармоник на временные и пространственные сло-
жилось исторически и является не совсем удачным, но для изменения
этой классификации время еще не наступило.

Электрическую машину можно рассматривать как четырехполюсник,
а если учитывать и тепловые выводы, то как шестиполюсник (см. рис.
1.26). Таким образом, временные гармоники могут попасть в машину со
стороны электрических, механических и тепловых входов.

Временные гармоники в воздушном зазоре двигателя появляются за
счет несинусоидальности напряжения на выводах двигателя, которое мо-
жет возникнуть в двигателе после предвключенных нелинейных элемен-
тов (реакторов, полупроводниковых приборов и др.), а также за счет ис-
кажения формы напряжения сети. Если в питающем напряжении содер-
жится постоянная составляющая, то в спектре гармоник поля наряду с
нечетными гармониками создается бесконечный спектр четных гармо-
ник поля.

Причинами появления временных гармоник в переходных режимах
являются также несимметрия и нелинейное изменение амплитуды и час-
тоты напряжения.

Форма поля в воздушном зазоре совпадает с формой фазного напря-
жения для идеальной машины, когда структура машины не вносит в зазор
пространственных гармоник и индукция в воздушном зазоре повторяет
форму напряжения.

Максимальные амплитуды высших гармоник имеют место при пря-
моугольном напряжении питания, в этом случае амплитуда 3-й гармоники
равна 1/3 амплитуды 1-й гармоники, 5-й— 1/5 и v-й 1/v. При других фор-
мах питающего напряжения амплитуды высших гармоник определяются
из разложения несинусоидальной периодической ЭДС в тригонометриче-
ский ряд Эйлера—Фурье.

Механические выводы двигателя (см. рис. 1.26) также являются ис-
точником появления высших гармоник поля в воздушном зазоре. При
нелинейном изменении момента сопротивления и частоты вращения в
зазоре появляются высшие гармоники. Если мощность сети, к которой
подключена электрическая машина, соизмерима с мощностью машины,
то гармоники, появившиеся за счет ударной нагрузки или за счет колеба-
ний вращающего момента генератора, могут исказить напряжение сети.

Тепловые выводы электрической машины (см. рис. 1.26) также могут
являться источником временных гармоник. При резких изменениях теп-
ловых режимов, когда машина подвергается ударным тепловым воздей-
ствиям, в зазоре появляются высшие гармоники поля, связанные с быст-
рыми нелинейными тепловыми воздействиями. Обычные машины не
подвергаются тепловым ударам, поэтому этот класс временных гармоник
изучен недостаточно.
В общем случае временные гармоники в воздушном зазоре могут по-
валяться при одновременном воздействии нелинейных факторов на три
входных вывода машины.

Пространственные гармоники появляются в воздушном зазоре
вследствие несинусоидального распределения витков и МДС обмоток,
неравномерности воздушного зазора, связанной с наличием зубцов и па-
«)в на статоре и роторе, эллипсности, конусности зазора и других техно-
логических факторов, а также нелинейности параметров.

Рассмотрение пространственных гармоник начнем с гармоник МДС.
I [ростейшей обмоткой является катушка, состоящая из нескольких вит-
ков. При равномерном зазоре сосредоточенная катушечная обмотка при
шаге обмотки у = т создает прямоугольную МДС (см. рис. 1.81). При рас-
пределенной обмотке МДС имеет вид трапеции (см. рис. 1.82). Для обмо-
ток, состоящих из нескольких катушек, распределение МДС имеет вид
ступенчатой кривой, приближающейся к синусоиде (см. рис. 1.83).

Для катушки или для одного витка без укорочения при равномерном
зазоре амплитуды гармоник составляют

=(4/k)Fk;

F3m =(1/3)(4/k)Fk;

=(1/5)(4/k)Fk;

(1-8)

Fvm = (I/vXVtOFJ

Укорочение у « 0,8т и переход к трапецеидальной форме МДС рез-
ко снижают амплитуды высших гармоник. Ступенчатое распределение
МДС обеспечивает дальнейшее уменьшение амплитуд и числа высших
гармоник. Однако свести к нулю содержание высших гармоник МДС
нельзя, так как выполнить синусоидальное распределение витков в зубцо-
вой зоне машины практически невозможно.

Направления вращения полей высших пространственных гармоник
МДС зависят от числа фаз обмоток.

В трехфазных симметричных обмотках возникают гармоники

V = 6n ± 1,

(1-9)

где п = 0, 1, 2, ..., причем гармоники би + 1 (7, 13, 19-я ...) вращаются с
частотой в 7,13,19 ... раз меньше, чем основная, и в ту же сторону, что и
1-я. Гармоники би - 1 (5, 11, 17-я ...) вращаются с частотой в 5, 11, 17 ...
раз меньшей и в сторону, противоположную вращению основной гармо-
ники.

Для двухфазных симметричных обмоток

v-= 4и ± 1.

(1.10)
Гармоники 4п + 1 (5, 9, 13-я ...) вращаются в ту же сторону, что и
первая, а гармоники 4п - 1 (3, 7, 11-я...) — в сторону, противоположную
основной волны.

На характеристики электрической машины большое влияние оказыва-
ют также множество зубцовых гармонических. В электрических машинах
обмотки якоря расположены в пазах. Поэтому из-за неравномерной прово-
димости воздушного зазора характер поля в воздушном зазоре определяет-
ся как распределением МДС, так и проводимостью воздушного зазора.

В ненасыщенной машине при синусоидальном распределении МДС,
при наличии зубцов на статоре или роторе распределение результирую-
щей магнитной индукции в зазоре искажается за счет появления зуб-
цовых гармоник В2 (см. рис. 1.75). Результирующую кривую индукции
можно представить как сумму 1-й гармоники индукции Вт и зубцовой
гармонической В2.

В рассматриваемом случае при гладком статоре или роторе полюс-
ное деление зубцовой гармонической х2 определяется числом зубцов ста-
тора или ротора и диаметром статора или ротора: т. = nDfe. Амплитуда
зубцовой гармоники зависит от степени раскрытия паза и воздушного
зазора.

При наличии пазов на статоре и роторе картина поля в зазоре услож-
няется. При этом приближенно можно считать, что в зазоре будут иметь
место два сорта зубцовых гармоник. Одни получаются при гладком ста-
торе и наличии зубцов на роторе, а другие — при гладком роторе и нали-
чии зубцов на статоре. В насыщенной машине картина поля в зазоре рез-
ко усложняется и определение амплитуд зубцовых гармоник затрудняется.

На амплитуду зубцовых гармоник оказывает влияние соотношение
чисел пазов статора и ротора. При некоторых соотношениях появляются
значительные вибрации и шум. Для грехфазных асинхронных машин к
этим соотношениям относятся

zi -Z2 = 0,1,2,3,4;

Z] -z2—p, р±1;

zi=z2 = 2p, 2р±1, 2р±2, 2р±3, 2р±4;

zj-z2 = 3p;

(1-Й)
(1-12)
(М3)
(1-14)

здесь Zi — число пазов на статоре; z2 — число пазов на роторе.

Чтобы уменьшить амплитуды зубцовых гармоник, применяют скос
пазов на одно зубцовое деление (см. рис. 1.77). При таком скосе ЭДС в
витке компенсируются и токи от зубцовых гармоник уменьшаются. Скос
пазов можно выполнять как на роторе, так и на статоре. Если ток в роторе
или статоре от зубцовой гармоники приближается к нулю, момент от зуб-
цовой гармоники также равен нулю.
Зубцовые гармоники имеют ту же частоту, что и основная, а полюс-
ное деление у них меньше: тг = x/v, где v — номер зубцовой гармоники.
Поэтому частота вращения зубцовых гармоник в v раз меньше частоты
•ращения основной гармоники.

Подбирая соотношения между числами пазов на роторе и статоре,
выбирая укорочение шага обмотки, раскрытие и скос пазов, можно
уменьшить амплитуды пространственных гармоник или, наоборот, выде-
лить одну из высших гармоник, обеспечив ей главенствующее положение
в спектре гармоник. В этом случае основной — 1-й гармоникой — явля-
ется высшая пространственная гармоника, так как ее амплитуда самая
большая по отношению к другим. Двигатели, работающие на высших
пространственных гармониках, называются редукторными. Редукторные
двигатели тихоходные и применяются вместо многополюсных машин или
двигателей с механическим редуктором.

Пространственные гармоники возникают в зазоре электрической
машины также из-за нелинейностей параметров — коэффициентов перед
переменными в уравнениях электромеханического преобразования энер-
гии. Индуктивные сопротивления зависят от насыщения, активные сопро-
тивления изменяются за счет вытеснения тока, а в некоторых приводах
изменяется и момент инерции. Нелинейные изменения параметров обра-
зуют в зазоре соответствующие спектры гармоник.

Технологические факторы также являются причиной появления
высших гармоник в воздушном зазоре. К технологическим факторам от-
носятся: неравномерность воздушного зазора за счет эксцентриситета
статора и ротора, конусность ротора, несоосность статора и ротора и дру-
гие, связанные с технологией изготовления машины.

В электрических машинах есть также гармоники комбинационных
частот. В нелинейных системах, а электрическая машина — система не-
линейная, достаточно иметь две гармоники, чтобы появились спектры
гармоник комбинационных частот. Влияние комбинационных частот на
характеристики машин изучено недостаточно, так как определяющее вли-
яние имеют гармоники МДС, зубцовые и от нелинейности коэффициен-
тов в уравнениях.

Высшие гармоники оказывают влияние на работу электрической
машины, ухудшая энергетические показатели в результате возникновения
добавочных потерь и паразитных моментов. Если в статоре и роторе
имеются возможности для протекания токов, обеспечивающих непод-
вижность относительно друг друга полей ротора и статора, то возникает
электромагнитный момент от пары высших гармоник. В асинхронной
машине с короткозамкнутым ротором могут возникнуть моменты от всех
гармоник, существующих в воздушном зазоре. Высшие гармоники про-
являются особенно сильно при пуске машины. При этом для каждой про-
Рис. 1.33. Обобщенный электромеханический пре-
образователь

странственной гармони
ки наступает момент
когда частота вращения
ротора равна частоте
вращения поля и ротор
может «застрять» на
этой скорости под влия-
нием синхронного мо-
мента от одной из про-
странственных гармоник.

Высшие гармоники
могут иметь, так же, как
и 1-я гармоника, пря-
мую и обратную со-
ставляющие, что созда
ет дополнительно новые
множества гармоник.

Среди бесконечно-
го числа гармоник толь-
ко некоторые оказыва-
ют влияние на характе-

ристики электрической машины, так как большое число гармоник имеет
бесконечно малые амплитуды. Поэтому при исследовании влияния на
процессы преобразования энергии рассматриваются лишь немногие гар-
моники, имеющие наибольшие амплитуды.

Чтобы разобраться в сложнейших взаимодействиях гармоник при
бесконечном их спектре в воздушном зазоре, необходимо иметь матема-
тическую модель. Такой моделью является обобщенный ЭП. Обобщен-
ный ЭП — это идеализированная двухполюсная двухфазная электриче-
ская машина с т обмотками на статоре по осям а и р и п обмотками на
роторе по осям аир (рис. 1.33). Идеализированная электрическая маши-
на — это машина ненасыщенная, с синусными обмотками и гладким воз-
душным зазором. Она отличается от обобщенной электрической машины
(см. § 1.6) наличием т обмоток на статоре и п обмоток на роторе, к кото-
рым могут подводиться напряжения с различными частотами и амплиту-
дами. Здесь рассматривается двухфазная машина, но предполагается, что
симметричные многофазные многополюсные машины могут быть приве-
дены к двухфазной двухполюсной машине. Неподвижные координаты а,
р модели взяты как наиболее распространенные.

В обобщенном ЭП при круговом поле в воздушном зазоре достаточ-
но иметь две пары обмоток на статоре и роторе (см. рис. 1.28). При бес-
конечном числе гармоник поле в воздушном зазоре можно сформировать,
штподя к каждой паре обмоток на статоре или роторе синусоидальи
снаряжения соответствующих частот. Имея генераторы гармоник, можнь
лишать соответствующие направления вращения гармоникам и их фазы.

I щцм образом, модель обобщенного ЭП позволяет сформировать в зазо-
цоле любой формы..

На рис. 1.33 каждая обмотка имеет обозначение, показывающее ее
принадлежность к оси а или 0, порядковый номер, а также расположение ее
1ш роторе или на статоре. Здесь wsla, w2a, wsma; wrla, w2a, ..., w'na—

смотки статора и ротора по оси a; , w2p,w^p ; tv^, w2p, ...,w'p —

нАмотки статора и ротора по оси В; н*а, и2а,usma; u'ia, и2а,игт —

напряжения, приложенные к обмоткам статора и ротора по оси а;

м’||« м2₽’	“Гр, м2₽> >ипр — напряжения, приложенные к об-

М' кам статора и ротора по оси 0.

Модель обобщенного ЭП — математическая модель. Поэтому на од-
ной оси могут находиться обмотки, не имеющие связи с другими обмот-
ками, 'расположенными на той же оси. При записи уравнений в этом слу-
чив взаимные индуктивности равны нулю. Принятое допущение о том,
ню машина ненасыщена, позволяет применять принцип наложения. Поле

и иэздушном зазоре на модели обобщенного электромеханического пре-
образователя энергии можно формировать, подвод) к обмоткам напряже-
ния различных амплитуд и частот, сдвинутых по фазе относительно друг
круга. Если исследуемая машина имеет несколько обмоток по осям, то в

математической модели эти обмотки имеют индуктивные связи.

Из модели обобщенного ЭП можно получить математические моде-

ли почти всех электрических машин. Например, однофазный асинхрон-

ный двигатель, имеющий одну обмотку (oQ
(рис. 1.34), а в зазоре — пульсирующее поле,
представляется математической моделью, со-
стоящей из двух пар обмоток па статоре и рото-
ре (рис. 1.35). Обмотки и ojfp создают пря-
мое поле. При моделировании к ним подводятся
напряжения usla = Um sin со/, Wj₽ = Um cos©/. К
обмоткам w2a и w2p подводятся напряжения
и2а = cos©/, w^p = Um sin©/ ив зазоре созда-

Рис. 1.34. Однофазный
двигатель с коротко-
замкнутым ротором

стся обратное поле. Если рс тор короткозамкну-
гый. U[a, U[p, U2a и U2a равны нулю.
Хотя конструктивно
однофазный асинхронный
двигатель — машина про
стая, его математическая
модель значительно слож
нее трехфазного асинхрои
ного двигателя, так как в
воздушном зазоре однофаз-
ного двигателя два поля
(прямое и обратное), а в
трехфазном двигателе в
зазоре — одно.

Модель обобщенного
ЭП, хотя и является общей
для большинства электри-
ческих машин, все же не
охватывает многих случаев
электромеханического пре-
образования энергии и яв-
ляется промежуточной. Математическая модель электрической машины
усложняется, если считать, что машина имеет две, три и и степеней сво-
боды, т.е., если рассматривать процессы при вращающихся роторе и ста-
торе или сферическом роторе. В емкостных и индуктивно-емкостных элек-
трических машинах изменяется вид уравнений и растет их сложность.

Для обобщенного ЭП, обеспечивающего возможности для модели-
рования бесконечного спектра гармоник поля в воздушном зазоре, пред-
ложены уравнения электромеханического преобразования энергии, кото-
рые описывают процессы преобразования энергии почти во всех электри-
ческих машинах. Математические модели обобщенного электромехани-
ческого преобразователя для различных случаев, встречающихся в прак-
тике электромашиностроения, рассматриваются в спецкурсах [4].

Ph's. 1.35. Математическая модель однофазного
двигателя

1.8.	Магнитное поле машины

Электромеханическое преобразование энергии происходит в воз-
душном зазоре электрической машины — в пространстве, где сосредото-
чена энергия магнитного поля. Поэтому изучение магнитного поля маши-
ны имеет важное значение для понимания процессов преобразования
энергии в электрических машинах, Магнитное поле машины создается
токами, протекающими в обмотках маширы. На формирование поля ока-
зывает определенное влияние окружающая среда.
Для развития теории
1 ;рических машин имели
1>М1ыющее значение работы
М Фарадея и его физические
нрглс гавления о магнитном
tiu г М. Фарадей представлял
шнитное поле как простран-
1.1110, заполненное магнитным
по юком, который состоит из
тыкнутых силовых линий.
При этом деформации, тяже-
НИ1 силовых линий создают
попдеромоторные (электро-
щпшмические) силы, которые
посредственно участвуют в
И ктромеханическом преоб-
рп ювании.

В основе уравнений элек-

Рис. 1.36. Магнитное поле четырехполюс-
ного асинхронного двигателя при нагрузке

(ромеханического преобразо-

иппия энергии лежат работы Д. Максвелла, который облек в математиче-
скую форму представления М. Фарадея.

По магнитной индукции и напряженности поля электрической ма-

шины можно определить параметры и другие показатели, интересующие
исследователя. Однако расчет поля машины может быть проведен только
приближенно. Определение параметров и характеристик электрических
*Ш1ин требует большого времени ЭВМ, и в настоящее время использу-
ТСя в основном частичные программы для расчета отдельных показате-
лей машины.

На рис. 1.36 представлено распределение магнитных потоков в четы-
Р< хполюсном асинхронном двигателе при нагрузке. Силовые линии поля
сформируются и распределяются в участках магнитной системы нерав-
номерно. Картина поля на одном полюсном делении явнополюсной син-
х] онной машины представлена на рис. 1.37.

Картина поля в машине зависит от нагрузки, приложенного напря-
жения, режима работы и геометрии магнитной системы. Форма поля не-
прерывно изменяется, отражая все события, происходящие в машине.

Расчет магнитного поля состоит из определения плотности магнит-
ного потока, т е. магнитной индукции — вектора, направление которого в
каждой точке поля совпадает с направлением силовых линий поля (рис.
1.36, 1.37).

Из уравнений Максвелла для магнитного поля вектор напряженности
равен
rotH = J. (1.15)

Считая, что плотность тока ./
равномерно распределена по сечению
проводника S, имеем

J = -.	(1.16)

S

Связь между индукцией и на-
пряженностью поля определяется
зависимостью

B =	(1.17)

где ра — абсолютная магнитная про-
ницаемость среды.

Так как силовые линии магнит-
ного поля замкнуты, то

divB = 0,	(1.18)

что свидетельствует о том, что сило-

Рис. 1.37. Магнитное поле явнопо- вые линии магнитного поля не имеют
люсной синхронной машины	«стоков» и «истоков».

Уравнения (1.15)—(1.18) позво-
ляют аналитически найти магнитное поле лишь для ограниченного круга
задач с простейшими граничными условиями.

Магнитные поля в электрических машинах значительно сложнее по-
ля, представленного на рис. 1.38. Обычно в машинах поле концентриру-
ется в воздушном зазоре и в его создании участвуют несколько контуров
с токами. Обмотки, как правило, располагаются в пазах, а магнитный по-
ток замыкается как по стали, так и по воздуху, вокруг лобовых частей
обмоток.

Для реальных областей электрических
машин со сложными формами магнитных
сердечников и контуров с токами при рас-
чете поля приходится идти на ряд допуще-
ний, связанных с формой поверхностей, с
распределением токов, со свойствами сред
и законами движения.

Для безвихревого ( rot Я = 0) характера
поля удобно ввести понятие скалярного
магнитного потенциала срт. При этом

Я =-grad ср т.

(119)

Рис. 1.38. Магнитное поле
витка с током
Для магнитного потенциала справедливо уравнение Лапласа

V2<pm=^L+^L+-^ = 0.	(1.20)

“ дх2 ду2 dz2

В безвихревом магнитном поле в электрических машинах большая
часть граничных условий является условиями Дирихле, что облегчает
решение при использовании приближенных методов. Результатом расчета
поля являются составляющие напряженности поля по трем осям

Нх=-^--, Н=-^-; Нг=-^-,	(1.21)

дх у ду	dz

по которым с использованием равенства В = ЦаН находят составляющие
мгктора индукции, потоки и потокосцепления. Единица магнитного по-
испциала — ампер, и магнитный потенциал соответствует МДС. Функция
потока в потенциальном поле соответствует магнитному потоку.

При расчете вихревых электромагнитных полей используется поня-
тие векторного магнитного потенциала А :

В = rot А.	(1-22)

Совместное решение (1.14)—(1.17) приводит к уравнению Пуассона

V2I = -poJ.	(1.23)

Циркуляция векторного потенциала по контуру оказывается равной
мчнитноыу потоку через поверхность, опирающуюся на этот контур.
Уравнение (1.22) разбивается в трехмерной задаче на три отдельных
уравнения, записанных в проекциях на координатные оси. В электриче-
ских машинах обычно рассматривается двухмерная плоская картина поля
i одной, например, составляющей тока Iz по оси z:

д2Аг d2Az
дх2 + ду2

= ~^aJz-

(1.24)

В этом случае векторный магнитный потенциал приобретает смысл
ы элитного потока на единицу длины в направлении z. Составляющие
исктора индукции по осям х и у равны

Вх=^-;Ву=-^-.	(1.25)

ду	дх

Длг нахождения магнитного поля используются методы подобия,
физического и математического моделирования [4]. Значительную роль в
речении полевых задач играют конформные преобразования областей
pt тения, при которых сложные граничные условия претерпевают изме-
нения и существенно упрощаются. Решение уравнения Лапласа находится
для относительно простых зон и далее переносится в исходную область
Методы конформного преобразования развиты в основном для безвихре-
вых полей. Ряд задач для вихревого поля решается методами интеграль-
ных уравнений.

В последние десятилетия быстро развивались приближенные чис
ленные приемы расчета поля, основанные на методах конечных разностей
и конечных элементов. Быстродействующие ЭВМ дают возможность по
лучить решение при расчете поля машины с затратой сравнительно
большого машинного времени. Недостатками этих методов являются не-
возможность получить общее выражение для решения и необходимость
повторять решения при изменении любых факторов, влияющих на поле.
Но все возрастающие возможности вычислительной техники компенси-
руют это неудобство.

Важное уравнение Максвелла связывает вектор электрической на-
пряженности Е с магнитной индукцией:

rot£=-^-.	(1-26)

В интегральном виде оно позволяет перейти к выражению для ЭДС
контура

(1-27)

s	'

Векторы магнитной индукции и напряженности дают исчерпываю-
щую информацию о магнитном поле и, следовательно, обо всех инте-
гральных величинах (токах, ЭДС, напряжениях, силах и моментах) на
выводах машины. Наиболее существенным параметром является индук-
тивность L, вычисляемая как отношение мгновенных значений потокос-
цепления Т, созданного током i, к самому току:

Т

L = —.	(1.28)

i

Если ток и потокосцепление принадлежат одной и той же обмотке
или проводнику, индуктивность называется самоиндуктивностью, если
разным — взаимной индуктивностью. Для поля, описываемого уравнени-
ем Лапласа, в целях нахождения потокосцепления приходится переходить
к выражению магнитной индукции и далее интегрировать для проводника
сечением S магнитные потоки в пределах сечения. В терминах векторного
магнитного потенциала потокосцепление определится относительно зна-
чения Ао, принимаемого за начало отсчета текущих значений векторного
потенциала А,, имеющих место в сечении S:
т=

(1.29)

Практически определение потокосцепления сводится к простейшим
||чп|>метическим операциям, если проводник разделяется на конечное
Число элементарных площадок, для каждой из которых при расчете поля
пшовлено значение векторного магнитного потенциала А,.

Потокосцепление проводника или обмотки с числом витков w в том
। пучае, когда поток Ф для всех точек поперечного сечения проводника
обмотки является постоянным, может быть выражено как Ч/ = юФ, и
1Огда индуктивность

i i

(1-30)

Введем понятие магнитной проводимости А:

Ф

А = -,	(1.31)

где F— МДС проводника (обмотки).

Индуктивность теперь оказывается величиной, не зависящей от зна-
чений тока и потока, и определяется только значением магнитной прово-
димости

_ wFA wiwA. 2,
L =--------------= w Л.

i i

(1-32)

В случаях, когда имеются воздушные
промежутки,

L = м2Л. = щ2|10Х,	(1.33)

Где А = А/ро-—коэффициент магнитной про-
водимости для потоков, созданных МДС F.

Результирующее поле машины принято
делить на магнитное поле взаимной индук-
ции и поле рассеяния. Для представленного
на рис. 1.39 варианта двух обмоток силовые
1инии поля взаимной индукции сцеплены с
)беими обмотками Ф12, а силовые линии
поля рассеяния сцеплены только с одной
обмоткой (Фа1 —поле рассеяния первичной
обмотки wt, Фо2 — поле рассеяния вторич-
ной обмотки w2).

При конструировании электрических
гашин стремятся к тому, чтобы большая

Рис. 1.39. Магнитные поля
взаимной индукции и поля
рассеяния
часть потока была сцеплена с обеими обмотками, расположенными ни
статоре и роторе, а потоки рассеяния составляли несколько процентон
потока взаимной индукции. Хотя процессы электромеханического преоб
разования энергии определяются результирующим полем, основное зна
чение имеет поле взаимной индукции или главное поле машины.

При расчете поля взаимной индукции часто используется допущение
о плоскопараллельности (двухмерности) поля, когда не учитывается из
менение формы поля в направлении оси z, а также широко применяется
принцип наложения.

Связь между индукцией В и токами, создающими поле, определяется
законом полного тока. Поэтому интеграл вектора напряженности магнит
ного поля по замкнутому контуру равен полному току, проходящему
сквозь этот контур:

Г Св

Ф H,dl = ф—dl = У/, ,	(1.26)

J

где Hh Bi — проекции векторов напряженности поля Н и индукции В на
направление обхода контура dl. Когда контур интегрирования совпадает с
направлением силовых линий поля, Н/ и В/ равняются напряженности и
индукции в данной точке (соответственно Н и В).

Интеграл по замкнутому контуру в (1.26) вычисляют по участкам, на
которые разбивают контур интегрирования. Линейный интеграл какого-
либо участка ^Hdl называется МДС этого участка.

Расчет магнитной цепи проводят при холостом ходе, когда ток в об-
мотке якоря близок или равен нулю.

Магнитную цепь явнополюсной (рис. 1.40, а) и неявнополюсной
(рис. 1.40, б) машин разбивают на пять участков:

%F = Fs+Ft+Fn+Fa+Fc,	(1.27)

где Fs — МДС воздушного зазора (участки 3-4,9-10)\ Fz — МДС зубцов (уча-
стки 2-3,8-9,10-11); Fm—МДС полюса (участок 4-5); Fa—МДС ярма ротора
(участки 1-2,7-8)', Fc—МДС ярма статора (участки 5-6,11-12).

Рис. 1.40. Магнитная система явно- (а) и неявнополюсной (б) машины
При расчете МДС участков явно- и неявнополюсных машин с обмот-
ай возбуждения на статоре или роторе имеются особенности в расчетах,
вторые рассматриваются в соответствующих разделах курса.

МДС зазора Fs расчитывается как

F=k&ILt>,	(1.28)

где Hs — напряженность воздушного зазора, Hs = (Bg/po); 8 — длина воз-
шного зазора; к& — коэффициент воздушного зазора, учитывающий
увеличение длины силовой линии поля в воздушном зазоре за счет пазов,

Магнитодвижущая сила зубцов

F:~HJ_,	(1.29)

ще Hz — средняя напряженность магнитного поля в зубце; lz — высота
убца.

Средняя напряженность вычисляется по значениям индукции в трех
чениях зубца. Если индукция в зубце не изменяется, то Hz определяется
для всей длины зубца.

Магнитодвижущая сила полюса рассчитывается по формуле

Fm = Hl,	(1.30)

|десь Нт — напряженность в полюсе; 1т — длина полюса.

Магнитодвижущая сила ярма ротора

Fa=Hala,	(1.31)

I де На — напряженность в ярме ротора; 1а — длина силовой линии в ярме
ротора машины.

Магнитодвижущая сила ярма статора

Fc = Hclc,	(1.32)

I де Нс — напряженность в ярме статора; 1С — длина силовой линии в ярме
11 втора.

В неявнополюсных сердечниках МДС ярм статора и ротора рассчи-
шкается с учетом коэффициента влияния на МДС неравномерности рас-
пределения индукции в ярмах статора и ротора машины

Fa=ma.	(из)

При расчете магнитной цепи машины задаются индукцией в воздуш-
ном зазоре В8, а затем, определив поток, рассчитывают индукцию на ос-
1Л1П.НЫХ участках при известной геометрии машины. Вычислив значения
ш> >укции в отдельных участках, по таблицам для соответствующего сор-
ьп с гали определяют напряженность поля для каждого участка.
Рис. 1.41. Магнитная характерис-
тика машины

Просуммировав МДС участков
находят полный ток (1.27):

^F = Iu> = FB, (1.341
где F„ — МДС обмотки возбуждения.

Расчет МДС проводят для нескол!
ких значений В6, а затем строят харак
теристику намагничивания машины или
магнитную характеристику машины
ФБ = f(FR) (рис. 1.41). Начальная часп.
характеристики соответствует ненасы-
щенному состоянию и определяете»
зависимостью Ф6 = Ж) , так как МДС участков магнитопроводов ма-
лы. Рабочая точка, соответствующая номинальному значению потока и
зазоре FgHOM, выбирается на колене магнитной характеристики.

Обычно ^F рассчитывают на пару полюсов. При этом в контур
где замыкается поток, входят два воздушных зазора, две длины зубцоп,
полюсов и полные длины силовых линий в ярмах статора и ротора (см
рис. 1.40). После расчета магнитной системы можно определить МДС
сосредоточенной обмотки возбуждения на один полюс

ЛЧ	(1-35)

где 7В — ток возбуждения; <д, — число витков обмотки возбуждения.

В многополюсных машинах картина поля повторяется под каждой парой
полюсов, поэтому расчет магнитной системы проводят на пару полюсов.

Магнитодвижущую силу машины можно представить в следующем
виде:

Ef = F,4-fw,	(1-36)

где F„ — МДС стальных участков.

Отношение

F. + F
ки= —----2-	(1.37)

F6
определяет коэффициент насыщения машины, который зависит от воз-
душного зазора и насыщения стальных участков магнитной цепи кн » I
»1,1-5-1,6. В синхронных машинах и машинах постоянного тока ки = I
= 1,1ч-1,3, а в асинхронных кн = 1,2-5-1,6. Выбор индукций в зазоре и зубцах I
определяет энергетические и массогабаритные характеристики машины.
Длже в насыщенных электри-
«»• »нх машинах энергия магнит-
««MI ноля, определяемая произве-
tuir - i ВНП, в основном сосредо-
ечц в воздушном зазоре. Если
t tiiiHib магнитную проницае-

I |г С1ЯЛИ |1ст = 00 , то при этом
1,, рпнна нулю и индукция в зазо-
!•> пропорциональна Iw.

Рис. 1.42. Магнитное поле неявнопо-
люсной машины

Вй = ^-Iw=kIw, (1.38)
6
h" Л' - к86.

В ненасыщенной машине
I >рми поля в зазоре при холостом
tnw определяется распределени-
МДС обмотки, в которой про-
1г»«ст ток намагничивания, и магнитным сопротивлением воздушного
«юра (рис. 1.42). Это имеет место в неявнополюсной машине с равно-
рным зазором и гладкими статором и ротором, когда пазы на статоре и

поре отсутствуют.

Синусоидальное распределение индукции в зазоре ненасыщенной
юонополюсной машины можно получить при синусоидальном распре-
цспии МДС, что теоретически обеспечивается синусными обмотками, в

мнорых витки распределяются по закону синуса.

В явнополюсных ненасыщенных машинах с обмотками возбуждения в

йщг сосредоточенных катушек форма поля в зазоре определяется магнитным
к»иротивлениег' воздушного зазора. Чтобы приблизить форму поля в зазоре к
t мчусоиде, надо профилировать зазор следующим образом (рис. 1.43):

1 ис. 1.43. Профиль воздушно-
зазора явнополюсной ма-
лины

8Х«—-—,	(1-39)

7С
cos—X
т

где 5 — зазор под серединой полюса.

При этом зазор под краем полюсного
наконечника получается равным (1,5+1,6)5.

Хотя в явнополюсной машине, имею-
щей неравномерный воздушный зазор, вы-
полненный по (1.39), поле в зазоре имеет
трапецеидальную форму, высшие гармони-
ки имеют небольшие амплитуды. На рис. 1.44
В1тах— амплитуда 1-й гармоники, В8ср —
Рис. 1.44. Магнитное поле явнополюс-
ной машины

Рис. 1.45. Поле машины при наличии
пазов на статоре

среднее значение индукции в воздушном зазоре. При расчетах электриче-
ских машин Вйср входит в формулы для определения ЭДС.

Зубцы на статоре изменяют магнитное сопротивление воздушного
зазора и вносят искажения в форму поля в воздушном зазоре (рис. 1.45).
Наличие пазов на роторе и статоре еще более усложняет картину поля.
Однако амплитуда 1-й гармоники при этом изменяется мало.

При нагрузке поле взаимной индукции определяется токами, проте-
кающими в обмотках статора и ротора. При этом происходит искажение
формы поля в воздушном зазоре и поток в зазоре Ф6 уменьшается по

Рис. 1.46. Поле пазового
рассеяния

сравнению с потоком при холостом ходе.
Влияние тока нагрузки на характеристики
машины называют реакцией якоря. Реакция
якоря в различных типах машин проявляется
по-разному и изучается в соответствующих
разделах курса.

Поле рассеяния машины делят на три
части: на поле пазового рассеяния, поле рас-
сеяния лобовых частей и поле дифференци-
ального рассеяния.

Поле пазового рассеяния делится на по-
ле рассеяния в пазу и поле рассеяния по го-
ловкам зубцов (рис. 1.46). Поток пазового
рассеяния зависит от геометрии паза (Ь„ —
высоты и Л,, — ширины паза), а также от
размера раскрытия (шлица) паза Ьш и высоты
усика паза Иш. Расчет поля пазового рассея-
ния осложняется наличием токов в пазу и
сложной формой пазов, поэтому аналитиче-
। «не решения возможны лишь для простейших случаев и при проектиро-
•П1Н1И используются приближенные соотношения, полученные из опыта
ин отовления и эксплуатации электрических машин.

Рассеяние лобовых частей обмоток зависит от выполнения лобовых
Мистей, числа полюсов и вида обмотки. Обычно лобовое рассеяние мень-
нк пазового.

В воздушном зазоре электрической машины наряду с основной гар-
моникой поля существуют поля высших гармоник. При расчете электри-
ческих машин рабочим потоком считают поток 1-й гармоники, а потоки
нысших гармоник поля относят к потокам рассеяния воздушного зазора
tout дифференциальному рассеянию.

1.9. Вращающееся магнитное поле

Для упрощения магнитное поле электрических машин может рас-
сматриваться как стационарное и в первом приближении — как плоско-
параллельное. Электромеханическое преобразование энергии почти во
«сех электрических машинах связано с вращающимся магнитным полем.
При этом в понятие стационарного магнитного поля вкладывается тот
смысл, что в любой момент времени амплитуда и форма магнитного поля
остаются неизменными.

Вращающееся магнитное поле
при неподвижных обмотках в
ерсхфазной системе может быть
создано, если разместить в пазах
обмотки так, как это показано на
рис. 1.47. Мгновенные значения
iokob в фазах для времени, соот-
ветствующего положению вектор-
ной диаграммы на рис. 1.48, равны

= Л™ и it = ic = “Л™  Токи в
•свой и правой половинах машины
совпадают по модулю, и в воздуш-
ном зазоре создается поле, индук-
ция Вгаах которого перпендикулярна
плоскости фазы обмотки, где в
яшный момент ток имеет макси-
мум и смещен относительно мак-
симума поверхностной плотности
и>ка на 90° (рис. 1.48). При изме-

Рнс. 1.47. Вращающееся магнитное
поле в трехфазной машине
Рис. 1.48. Схема и векторная диаграмма
трехфазной симметричной обмотки

нении токов во времени про
исходит вращение поля п
воздушном зазоре. Таким об
разом, благодаря определен
ному расположению обмоток
в пространстве и сдвигу то-
ков во времени в электричс
ских машинах образуется вра
щающееся магнитное поле.

Вращающееся поле соз
дается в генераторах, в кото
рых при вращении обмотки
возбуждения в трехфазных
обмотках статора наводятся

напряжения и токи, сдвинутые во времени на электрический угол 120°.

Вращающееся магнитное поле может перемещаться в воздушном за-

зоре с неравномерной скоростью, а форма поля может отличаться от си-

нусоиды. При этом максимальное значениештдукции будет различным по

окружности внутреннего диаметра статора. Несинусоидальное поле в

воздушном зазоре можно представить состоящим из основной и высших
гармоник поля. В несимметричной машине поле основной и высших гар-
моник имеет прямую и обратную составляющие. Таким образом, в общем

случае в воздушном зазоре имеются спектры гармоник, вращающихся в
противоположные стороны с различными частотами. В частном случае,
когда высшие гармоники отсутствуют, при равномерной частоте враще-
ния поля и неизменной амплитуде вращающееся поле называют круго-
вым или синусоидальным. В книге рассматривается в основном теория
электромеханического преобразования энергии при круговом поле в воз-
душном зазоре.

Чтобы в зазоре укладывалось целое число волн магнитного поля и не
возникало отраженных волн, необходимо выбирать определенное число

пазов:

z = 2mpq,

(1.40)

где q — число пазов на полюс и фазу.

Для обмотки, показанной на рис. 1.49, число пазов равно 18, так как
т = 3,р = 1, <7 = 3.

Сходственные проводники каждого витка фазы расположены друг от
друга на расстоянии полюсного деления

2р ’

(1-41)
Рис. 1.49. Схема и векторная диаграмма трехфаз-
ной обмотки (р = 1, q = 3).

1лс Da — внутренний
диаметр статора.

Для рассматривае-
мой обмотки полюсное
деление составляет По-
твину окружности. По-
лому шаг обмотки у
ровен полюсному деле-
нию т. Обмотки с у = т
шпываются обмотками с
диаметральным шагом.
Двойному полюсному
делению в двухполюс-

ной машине 2т соответствует электрический угол 360°. Начала фаз А, В, С
сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 120°, что в
двухполюсной машине составляет 1/3 окружности. Исходя из методиче-
ских соображений в книге начала обмоток обозначаются буквами А, В, С
иди а, Ь, с, а концы X, Y, Z или х, у, z. По ГОСТу начала фаз обмоток ста-
тора обозначаются Ct, С2, С3, а концы С4, С5, С6, начала фаз обмоток ро-
тора— Bj, Р2, Р3, а концы Р4, Р5, Р6.

Из рис. 1.47 видно, что распределение токов по окружности статора
приближается к синусоидальному закону. Если считать магнитное сопро-
тивление стали статора и ротора равным нулю, то энергия магнитного
поля сосредоточена в основном в воздушном зазоре. При этом закон из-
менения индукции в воздушном зазоре — синусоидальный.

При изменении фазы токов, что соответствует повороту векторной
диаграммы токов, кривые распределения токов по окружности статора и
магнитного потока в воздушном зазоре будут вращаться в направлении
следования фаз. Таким образом, в зазоре электрической машины создает-
ся вращающееся магнитное поле.

В двухполюсной машине частота вращения магнитного поля равна
частоте напряжения и тока статора f.

При увеличении числа полюсов полюсное деление составляет часть
окружности: для 2р = 4 оно равно 1/4, для 2р = 6 оно равно 1/6 и т.д.

На рис. 1.50 приведена схема четырехполюсной трехфазной обмотки
с q = 1. В этом случае, так же, как и в двухполюсной машине, образуется
вращающееся поле, но за один период поле поворачивается на половину
окружности и частота вращения поля равна

«.=у-	(1-42)

Для магнитного поля с р парами полюсов
Ряс. 1.S0. Схема четырехполюсной трех-
фазной обмотки

п1=^-,	(1.43)

Р
или в оборотах в минуту

и, -	.	(1.44)

Р

При этом линейная окружная
скорость поля

f

V] =	= 2/эт—L = 2т/,.

Р

(1-45)

При частоте 50 Гц получа
ются стандартные частоты
вращения поля, указанные и
табл. 1.2. Магнитное поле вра
вдается в направлении, опреде-
ляемом токами фаз А, В, С об-
мотки, к которой подводятся

напряжения, соответствующие
векторной диаграмме трехфазной системы А, В, С. Для изменения на
правления вращения поля достаточно изменить порядок следования фаз —
подключение выводов обмотки к сети.

Таблица 1.2

р	1	2	3	4	5	6	8	10	30	50
и,, об/мин	3000	1500	1000	750	600	500	375	300	100	60

Распределение магнитного поля в воздуш-
ном зазоре имеет периодический характер. Кри-
вая индукции в зазоре многополюсной машины
повторяется через каждые два полюса.

Вращающееся магнитное поле может
быть создано не только трехфазной, но и
двухфазной, и многофазными обмотками.

На рис. 1.51 представлена схема двух-
фазной обмотки, обеспечивающая в зазоре
вращающееся поле при сдвиге токов в фазах А
и В и сдвиге обмоток в пространстве на элек-
трический угол, равный 90°. В двухфазной

Рис. 1.51. Двухфазная сим-
метричная обмотка (тп = 2,
р= 1,9 = 3, z =12)
4Bmuix<* па рис. 1.51 z = 2mpq = 2-2-1 -3=12. Как и в трехфазной систе-
« при изменении токов поле в воздушном зазоре будет вращаться, сле-
«<« in максимумом тока. Вместо двухфазной обмотки в тех же пазах на
I 14 можно выполнить трехфазную обмотку. Согласно (1.40), q = 2.

j ми., м меди при этом в трехфазной и двухфазной обмотках не изменяет-
« а при одной и той же плотности тока МДС обмоток будет одной и той
•  Двухфазная и трехфазная машины, выполненные в тех же габаритах,
* цу г ра шивать тот же электромагнитный момент.

II трудно убедиться, что в общем случае в том же объеме зубцовой
•ним можно выполнить и многофазные обмотки. Поэтому в общем виде
формула для определения электромагнитного момента (1.92) имеет ко-
|и||ициенг ш/2. В этом по-существу и заключается приведение симмет-
ричных многофазных машин к двухфазным.

Вращающееся поле нельзя создать одной неподвижной обмоткой.
I  ни однофазную обмотку питать переменным напряжением, в воздуш-
ном -азоре будет пульсирующее поле, которое состоит из двух вращаю-
«ик1н в противоположные стороны магнитных полей: прямого и обратного.

Амплитуды прямого и обратного полей одинаковые. Частоты враще-
ния прямого и обратного полей одни и те же. Таким образом, в однофаз-
•ix машинах электромеханическое преобразование энергии происходит
при наличии в зазоре двух вращающихся полей.

Однофазная обмотка может быть получена из двух- или трехфазной
нПмогки, если соединить по определенным правилам фазы обмоток, а
.«же при использовании одной фазы в двухфазной машине или одной
иии двух фаз в трехфазной.

В воздушном зазоре электрической машины могут быть два поля,
«рпщающихся в противоположные стороны с одинаковой синхронной
час Готой вращения, но имеющих различные амплитуды. Такое поле на-
чинается эллиптическим. Эллиптическое поле появляется в симметрич-
ной электрической машине при питании фаз машины несимметричными
напряжениями. Эллиптическое поле в воздушном зазоре появляется так-
ое из-за несимметрии машины.

До сих пор рассматривалось поле машины, которое создавалось од-
ной обмоткой (обмоткой статора или ротора). При нагрузке результи-
рующее поле создается токами, протекающими в обмотках статора и ро-
lojm электрической машины. Токи ротора создают поле ротора, непод-
вижное относительно поля статора. Таким образом, в воздушном зазоре
Шипины при нагрузке имеет место результирующее вращающееся маг-
ии гное поле, созданное токами статора и ротора. Как и при холостом хо-
w, вращающееся поле_можно представить в виде вектора индукции В
вин (условно) потока Ф, вращающегося в зазоре машины с синхронной
Частотой.
1.10. Обмотки электрических машин

Обмотки—это контуры, в которых протекают токи, создающие маг
нитное поле машины.

Конструктивные выполнения обмоток весьма разнообразны — oi
массивных ферромагнитных и немагнитных цилиндров до сложных мно-
гофазных обмоток крупных электрических машин переменного и посто-
янного тока. Обмотки электрической машины — одна из главных частей
машины, и от того, как они спроектированы, во многом зависят основные
энергетические и массогабаритные характеристики.

Обмотки электрических машин выполняются однофазными, двух
фазными, трехфазными и многофазными.

В электрических машинах, как правило, применяются симметричны
обмотки. Для трехфазных симметричных обмоток необходимо выполни ih
следующие условия. Все три фазы обмотки должны находиться в один.!
ковых условиях. Во всех трех фазах должны наводиться одинаковы!
ЭДС. Электродвижущие силы фаз должны быть сдвинуты на 120°.

При выполнении обмоток необходимо обеспечить механическую и
электрическую прочность, достаточную на1ревостойкость, технологич
ность изготовления и удобство ремонта. Обмотки должны иметь мини
мальную массу. Они должны надежно работать при наилучших энергети-
ческих показателях машины.

По характеру потокосцеплений витков обмотки можно разделить на
сосредоточенные и распределенные.

В сосредоточенных обмотках практически все витки имеют одинаковые
потокосцепления с полем взаимной индукции. К сосредоточенным обмоткам
относятся обмотки трансформаторов, обмотки возбуждения явнополюсных
синхронных машин и машин постоянного тока (см. рис. 1.40, а).

В распределенных обмотках в каждый момент времени из-за разлил-1
кого расположения витков в магнитном поле потокосцепления витков
обмотки различны (см. рис. 1.42). К распределенным обмоткам относятся
обмотки якорей машин переменного и постоянного тока, обмотки рото-
ров асинхронных машин, компенсационные и специальные обмотки.

Сосредоточенные или катушечные обмотки выполняются из кругло- '
го или прямоугольного провода при намотке витков плашмя или на реб
ро. Разновидности сосредоточенных обмоток возбуждения и трансформа
торов рассматриваются в соответствующих разделах курса.

При выполнении обмоток необходимо представлять, как элементы
обмотки располагаются в магнитном поле машины и как секции обмотки
соединены между собой. Схема обмоток изображается на плоскости и
представляет собой разрезанную вдоль оси машины цилиндрическую по-
верхность реальной машины, на которой в пазах выполняется реальная
68
|*иг. 1.52. Секции двухслойной обмотки:

I петлевая; б— волновая

Рис. 1.53. Лобовые части двух-
слойной обмотки

обмотка. Геометрические размеры схемы — развертки обмотки — не
имеют значения, а важно относительное расположение сторон секций

опюсительно друг друга и полюсов машины.

Распределенные обмотки можно разделить на простые и сложные.
(Ножные обмотки состоят из двух или трех простых обмоток.

Простые обмотки делятся на однослойные и двухслойные. Обмотка
дг нггся на секции. Секции в свою очередь состоят из витков. На рис. 1.52
I гк ции выполнены из одного витка. Секции обмотки имеют две стороны.
Л двухслойных обмотках одна сторона секции лежит в нижней части па-
ш, а другая — в верхней. Чтобы одна часть секции лежала в нижней час-
III паза, а другая — в верхней, лобовые части обмотки специально про-
филируются (рис. 1.53). Лобовые части обмоток отгибаются в радиаль-

ном направлении.

Однослойные обмотки по
|>п «мешению лобовых частей
делятся на концентрические, в
которых лобовые части секций
охватывают друг друга, и деух-
и трехплоскостные, в которых
лобовые части располагаются в
двух или трех плоскостях (рис.
I 54, а, б).

На рис. 1.55 представлена
i хсма-развертка трехфазной од-
нослойной двухплоскостной об-
мотки для 2р =4, q=2, z— 2mpq =
 2-3-2-2 = 24. Двух- и трехпло-
скостные однослойные обмотки
tic технологичны, так как имеют
|н| «личные по форме секции.

б)

Рис. 1.54. Лобовые части однослойной
обмотки:

а — двухплоскостной; б — трехплоскостной
обмотки
Рис. 1.55. Трехфазная однослойная двух-
плоскостная обмотка (т - 3,2р = 4, q = 2,
z = 24)

Рис. 1.56. Трехфазная шаблонная об-
мотка (т = 3, 2р = 2, q = 3, z = 18)

Шаблонные или равносекционные обмотки применяются в статор-
ных обмотках машин мощностью до 10 кВт. Эти обмотки имеют мягкие
одинаковые секции. Простая трехфазная шаблонная обмлгка для 2р = 2.
q = 3, z = 2mpq = 2-2-1-3 = 18 показана на рис. 1.56. Секция шаблонной
обмотки представлена на рис. 1.57. Обычно такие секции состоят из не-

скольких витков или десятков витков.

Рис. 1.57. Катушка
шаблонной обмотки
перед укладкой в
пазы

Существуют разновидности шаблонной об-
мотки — цепные обмотки, позволяющие получить
более компактные лобовые части. Перед укладкой
обмотки в пазы секции наматываются на шаблоны.
После укладки и формовки лобовых частей обмот-
ки пропитываются лаками и запекаются.

Принцип образования двухслойных обмоток
проще представить, если начать рассмотрение с
кольцевой граммовской обмотки машины постоян-
ного тока (рис. 1.58) и трехфазной обмотки обра-
щенной синхронной машины (рис. 1.59). Кольцевая
обмотка представляет собой намотанную на тороид
замкнутую обмотку. Если поставить между полю-
сами щетки так, чтобы они скользили по неизоли-
рованным частям обмотки или по специально вы-
полненной для осуществления контакта части ма-
шины — коллектору, то со щеток можно снять по-
стоянный ток (рис. 1.58).

Чтобы получить трехфазное переменное на-
пряжение, надо с кольцевой обыоткз вывести на
+•

Рис. 1.59. Получение многофазного
переменного напряжения

ммп.ца напряжения от трех точек, отстоящих друг от друга на электриче-
• кий угол, равный 120° (рис. 1.59).

На рис. 1.59 показана кольцевая обмотка, состоящая из 12 витков
пип 12 секций. Секция состоит из одного витка, но она может иметь и
ИГ4 колько витков.

Двенадцатисекционная кольцевая обмотка дает возможность полу-
чи и. двенадцатифазную систему напряжений, если каждую секцию вы-
нч nt на кольца. Таким образом, число фаз зависит от выполнения об-
moikh и числа отпаек от нее. Понятие фазы напряжения или числа фаз
пПмогки связано с электрическим углом между векторами фазных напря-
жений или пространственным углом между фазами обмотки в двухпо-
лки пой машине. С одной и той же обмотки можно получить многофазное
инн грехфазное напряжение, а при наличии коллектора и щеток — посто-
янное напряжение.

Па кольцевой обмотке хорошо видно наличие двух параллельных
riucft обмотки якоря (рис. 1.58). В симметричных обмотках при равен-
11не ЭДС в параллельных ветвях = е,+е2=0.

В кольцевой обмотке ЭДС наводится только в частях обмотки, ле-
• ццих на внешней поверхности тороида, т.е. в частях, пересекающих
t и новые линии магнитного поля. Чтобы улучшить использование мате-
риала обмотки, надо увеличить активную длину витка (часть, в которой
наводится ЭДС). Для этого необходимо часть витков граммовской обмот-
ки. расположенных на внутренней части тороида, вынести на внешнюю
чт гь.

Принцип образования так называемых барабанных обмоток, в кото-
рых обе части витков расположены на внешней части якоря, показан на
рис. 1.60. Чтобы не загромождать рисунок и не затруднять анализ схемы
иймотки, на рис. 1.60, б дано расположение лишь части секций обмотки.
Барабанные обмотки — |
двухслойные, причем
одна сторона секции п
таких обмотках лежит
на дне паза, а другая —
в верхней части. Черт
дование секций в пазах
барабанной обмотки
хорошо видно на
принципиальной схеме
обмотки (рис. 1.61). На этой схеме показано расположение секций п
верхней (сплошная линия) и нижней (штриховая линия) частях паза.

В граммовской обмотке щетки устанавливаются между полюсами, а
в барабанных обмотках — под серединой полюса, так как секции обмотки
имеют отгиб лобовой части в тангенциальном направлении (рис. 1.52)
Несмотря на различное расположение щеток при вращении коммутация,
т.ё. переход секции из одной параллельной ветви в другую, в обоих типах
обмоток происходит в зоне, расположенной между полюсами.

Барабанные и кольцевые обмотки принципиально не отличаются
друг от друга. Отличия лишь технологические. Поэтому изучение обмо-
ток полезно вести, обращаясь к тем и другим обмоткам.

Как следует из рис. 1.58 и 1.59, обмотки переменного и постоянного
тока в сущности не отличаются друг от друга. С одной и той же кольце-
вой обмотки при наличии коллектора снимается постоянный ток, а кольца
и щетки дают возможность получить переменный ток.

На рис. 1.62 дана схема двухполюсной обмотки постоянного тока с
числом пазов z = 12 и числом коллекторных пластин К = 12. Число сек-
ций петлевой обмотки 24. На рис. 1.63 представлена схема трехфазной
двухслойной обмотки, выполненной для тех же чисел пар полюсов и зуб-
цов, что и обмотка постоянного тока.

Двухслойные обмотки применяются чаще однослойных. Двухслой-
ные обмотки дают возможность выбора более благоприятного шага, они
более дешевые вследствие уменьшения расхода меди и изоляции и лучше
допускают механизацию изготовления. В машинах постоянного тока с
коллектором однослойные обмотки не применяются.

6	7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5

1	2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Рис. 1.61. Принципиальная схема двухслойной обмотки по рис. 1.60, б
Гм) 162. Обмотка постоянного тока
b-2.s- 12,К=12)

Рис. 1.63. Трехфазная петлевая обмот-
ка (2р = 2, q = 2, z = 12)

Двухслойные обмотки делятся на петлевые и волновые.

Обмотки электрических машин характеризуются шагом обмотки.
Ринпчают результирующий шаг обмотки у — расстояние между двумя
li'xi П' довательно соединенными секциями — и частичные шаги и у2,
кшорые определяют соответственно расстояние между началом и концом
шрпой и началом соседней секции. Обычно шаги обмотки измеряются по
hi ношению к полюсному делению или числом эффективных (элементар-
ным) пазов.

11а рис. 1.64 показан элемент схемы петлевой обмотки. Здесь —
i ii-piu.i й частичный шаг — расстояние между началом и концом секции, у2 —
торой частичный шаг — расстояние между концом первой и началом
(порой секции. На схемах обмоток половина секции, лежащая в верхней
ни гн паза, изображается сплошной линией, а часть секции, лежащая в
нн ж нем слое обмотки, — штриховой линией.

II петлевых обмотках результирующий шаг у равен разности частич-

ных шагов:

у = У1~У2-	О-46)

II простых петлевых обмотках у = 1.

Н волновых обмотках (рис. 1.65)
р₽ «уд|. тирующий шаг равен сумме час-
III4HUX шагов:

Рис. 1.64. Секции петлевой об-

мотки

J =	(1-48)

I i ни и двухслойных обмотках шаг секции
рчигп полюсному делению, то такие об-
I

I



Рис. 1.65. Секции волновой обмотки

мотки называются обмоткам»
с диаметральным шагом.

Для экономии меди ।
улучшения формы поля (
воздушном зазоре двух
слойные обмотки ВЫПОЛИ!
ют с укороченным шагом,
у < т. При у « 0,8 досиня
ется экономия меди, j

уменьшение основной гармоники ЭДС по сравнению с ЭДС обмотки.

диаметральным шагом составляет всего несколько процентов.

На рис. 1.63 представлена схема трехфазной двухслойной петлевой
обмотки с диаметральным шагом для т = 3,2р = 2, q = 2, у -1, у, = т, z
= 2тр<7=23-1-2= 12.

Трехфазная петлевая обмотка с укороченным шагом у = 5/6т, для гем
же чисел полюсов (2р = 2) и числа пазов на полюс и фазу (q = 2) показан!
на рис. 1.66. По распределению фазных зон обмотки с укороченным ши
гом видно, что фазные зоны нижнего слоя смещаются относительно зап

верхнего слоя на т -yt.

При протекании трехфазных переменных токов по секциям обмотки
мгновенные значения токов в трехфазных зонах обмоток с диаметралк
ным и укороченным шагом совпадают и образуется вращающееся поле.

^|z|b|x|c| у| Л I z| в |х| с| У

Рис. 1.66. Трехфазная петлевая обмотка
(2р = 2,2а = 2, q = 2,у » 0,8т = 5, z = 12)

z|z|в|x|c| у|л|г|в|хГсГу
4|z|g|x|cj у | л |z | в | аг| cjyjzi

Рис. 1.67. Трехфазная петлевая обмо>вд
(2р = 4,2а = 4, q = 2, у « 0,8т = 5, z=24)
II рассмотренных схемах петлевых обмоток число параллельных вет-
и  /I, При р = 1 а=1. При 2р = 4 петлевые обмотки дают возмож-
I и получить две параллельные ветви, в шестиполюсных машинах чис-
•• |м|1.| цельных ветвей три и т.д. Из условий коммутации и технологии
•и<>|()11>|С11ия ток в параллельной ветви обмотки не выбирается больше
>•> А Поэтому в крупных машинах необходимо иметь число параллель-
• • • »> ней больше единицы.

I |ц рис. 1.67 показана трехфазная петлевая обмотка для т = 3, 2р = 4,
|< 4. </ - 2, у « 0,8т = 5, z = 2mpq = 2-3-2-2 = 24.

II миогополюсных машинах переменного тока петлевые обмотки
и большее число соединений, что увеличивает расход меди и услож-
<н»| 1ГХ1ЮЛОГИЮ изготовления обмоток. Если число параллельных ветвей
О выбрать равным одной или двум, целесообразно выбрать волно-
। (мотку. Преимущество волновых обмоток перед петлевыми состоит
чго сами лобовые части волновой обмотки являются межкатушеч-
•« < > >11 > осдинениями (см. рис. 1.65).

Ни рис. 1.68 дана схема двухслойной волновой обмотки для 2р = 4,
• t  2mpq — 2-3-2-2 = 24. В машинах переменного тока волновая об-
eikrt с целым q для большинства секций выполняется с результирующим
н<»|им, равным двойному полюсному делению, и только в последней сек-
>(ва делается искусственно укороченный переход, так, чтобы ее можно
соединить с секцией, лежащей рядом с исходной. Обычно для уп-
!»"•« ПИЯ технологии изготовления обмоток применяют секции с одина-
»>.<•> шагом, а укорочение достигается за счет перемычки — перехода в
•н<ь >ных частях обмотки (рис. 1.68).

Пыиолнение обмоток якорей машин постоянного тока принципиаль-

н" Н< отличается от двухслой-
Шй обмоток переменного тока.
fhiiiiM) наличие механического
ЦмиАразователя частоты —
Минск гора — вносит некоторые
>» нГм ипости в технологию изго-
Н НШ'ИИЯ обмоток.

Для улучшения коммутации
t|« ЧИ1СЯ уменьшить число вит-
IM и секции. Для этого увеличи-
ть и число коллекторных шта-
нин Чтобы не делать мелкие
1М(ы, н один паз укладывают в
слоя не одну, а две или три
• кипи При составлении схем
hAmoiok пользуются понятием

Рис. 1.68. Схема волновой обмотки (т = 3,
2р = 4, q = 2, z = 24).
Рис. 1.72. К определению ЭДС в катушке с
диаметральным (а) и укороченным (б) шагами

Действующее значешм
ЭДС катушки

Е	. (1.5?)

На комплексной плоски
стииз(1.71)

Электродвижущая силл.

которая наводится в, .катушке

зависит от выполнения катушки. В катушке, состоящей из витков с дни
метральным шагом (рис. 1.72, а), максимальный поток от 1-й гармоники

индукции равен

it

(1.54)

где В1т — амплитуда индукции первой гармоники; S = lsr — площадь,
пронизываемая потоком.

Тогда ЭДС проводника

% =^»,sin(or,	(1.55)

где амплитуда ЭДС

•®npm = Bln,l&v — 2fBlmlsr.	(1.561

Так как

V = 2tf,	(1.57)

то

Е г-

Для катушки с витками, имеющими укорочение (рис. 1.72, б)

Ф = ^УФ„,,	(1.59)

где ky — коэффициент укорочения, который учитывает уменьшение ЭДС
за счет укорочения шага витков катушки.

При укорочении шага относительный шаг

₽ = -	(1.60)

т

меньше единицы. При этом ЭДС двух проводников витка E'llp и Е’^ оди
наковые, но сдвинуты по фазе на угол (рис. 1.73). Поэтому ЭДС витки
выражается формулой
Рл

Fat 1.73. ЭДС витка Ел обмот-
М »• укороченным шагом

Рис. 1.74. К определению коэффициента уко-
рочения в катушке с удлиненным шагом

£, = 2Е sin—.

. ч> 2

(1-61)

I <> >ффициент укорочения равен отношению геометрической суммы

•Д< в арифметической сумме:

,	. ₽л

*,=5ШТ.

(1.62)

11ри шаге витка у * 0,8 ку *0,95-^0,98. Можно выполнить катушку
. > лпниенным шагом, когда у > 1. При этом увеличивается длина лобовых
М* и‘й и растет расход меди. Однако ку также меньше единицы, так как
iyhi. тирующий поток уменьшается (рис. 1.74, а). При у = 2т результи-
|г киций поток, пронизывающий контур катушки, равен нулю (рис. 1.74, б).

11оле в воздушном зазоре электрических машин отличается от сину-
н hi цы. Высшие гармоники появляются за счет несинусоидального рас-
нр< деления МДС, наличия зубцов на статоре и роторе (рис. 1.75), насы-
нфшя и других причин.

Для уменьшения влияния высших гармоник на характеристики ма-
I'linii.i применяют обмотки с укороченным шагом, выполняют скос пазов

। и« 1.75. Искажение поля в воздуш-
ном опоре (В. — индукция зубцовой
1«|1монической)

Рис. 1.76. Компенсация ЭДС высших
гармоник в витках, лежащих в скошен-
ных пазах
Рис. 1.77. К определе-
нию кск'.

----------пазы статора;

----------пазы ротора

и принимают другие меры. Скос пазов выполни
ется на зубцовое деление статора или ротора п
обеспечивает уменьшение влияния высших гар
моник, так как в скошенном витке ЭДС от выс
ших гармоник компенсируется (рис. 1.76): ЭДС
е'} в одной части витка и е' в другой направлс
ны встречно.

При скосе пазов уменьшается ЭДС и 1-й
гармоники. Уменьшение ЭДС 1-й гармоники за
счет скоса определяет коэффициент скоса kcti
При скосе пазы статора и ротора расположены
под некоторым углом уск (рис. 1.77):

Усх

т

(1.63)

где v — номер гармоники; ЬСК — скос, показывающий, насколько сдвину-
та ось скошенных пазов по сравнению с осью нескошенных. Скос изме-
ряется в миллиметрах или в зубцовых делениях:

_ sin(yCK/2)
0,5уск

(1-64)

При скосе, равном зубцовому делению, получаем Лск для 1-й гармо-
ники близким к единице. Для высших гармоник кс* существенно меньше
единицы.

Скос пазов уменьшает влияние высших гармоник на работу машины,
улучшая форму ЭДС и снижает шумы и вибрации. Однако скос пазов уве-
личивает длину витка, что приводит к увеличению активного сопротивле-
ния и индуктивного сопротивления рассеяния.

Таким образом, ЭДС катушки с учетом коэффициентов ку и кСК мож-
но определить следующим образом:

ЕК = wKE. =	= 242^кукМ.г .	(1.65)

Поток на полюсном делении

2

Ф ~	~	»	(1.66)

л

тогда ЭДС катушки

Е* = п42/и^к^Ф = 4,44/ш*кукСКФ .	(1-67)

Обычно обмотки электрических машин состоят из катушечных
групп. Каждая катушечная группа состоит из q катушек, соединенных
последовательно и лежащих в соседних пазах.
Электродвижущая сила катушечной груп-
н» равна геометрической сумме ЭДС от-
« 1М1ЫХ катушек, а не арифметической сумме
и» in того, что катушки расположены в пазах
пн внутренней или внешней поверхности ци-
•нндра статора или ротора, сдвинутых отно-
нпслыю друг друга в магнитном поле 1-й
л
щрмопики на угол а- —.

mq

Коэффициент распределения обмотки
ипрактеризует уменьшение ЭДС из-за про-
। ||»пцственного сдвига катушек по отноше-
нию друг к другу и равен (рис. 1.78):

*р= —-

Рис. 1.78. К определению
коэффициента распределе-
ния кр

(1.68)

Из рис. 1.78 следует, что

Eq = 27?sin(a/2);

£„ = 2Z?sin(y/2) = 27?sin(a/2g).

Тогда коэффициент распределения m-фазной обмотки определится
выражением

к sin(a/2)

11 gsin(a/2g)

(1-69)

Из (1.69) следует, что при q = 1 (для одной катушки) kf = 1. При q > 1
А|.<1.

При распределенной обмотке, когда q -> оо, кр есть отношение хор-
ты АВ к длине дуги АВ:

_ sin(a/2)

Р” (а/2)

(1.70)

Значение kfrjz при заданном угле а является наименьшим значением кр.
11рн распространенных в практике электромашиностроения числах пазов
ни полюс и фазу (q = 2-5-12) кр мало отличается от единицы.

Электродвижущая сила катушечной группы для 1-й гармоники

E4 = ^fqWllk^m,	(1.71)

I дс Аоб — обмоточный коэффициент;

О-72)
Обмоточный коэффициент, как правило, меньше единицы: ко5~
® 0,9ч-0,98. Коэффициент ко§ характеризует уменьшение ЭДС в реальной
машине за счет укорочения шага обмотки, выполнения ее в пазах на ста-
торе или роторе и наличия скоса пазов.

Произведение kQiw называют эффективным числом витков, так как
поток полюса во вращающихся электрических машинах в отличие от
трансформаторов сцепляется с катушкой не полностью.

Для определения ЭДС фазы обмотки можно воспользоваться выра-
жением (1.71), в котором вместо числа витков в катушечной группе qwt
подставляется число последовательно соединенных витков фазы w =
= nqwK, где п — число последовательно соединенных катушечных групп:

£ф = лт/2>ЛоВФи = 4,44>*о6Фга .	(1.73)

В обмотках машин переменного тока катушечные группы, лежащие

под разными полюсами, содержат одинаковое число катушек и занимаю!
одинаковые дуги на внутренней окружности статора или ротора (или чис-
ло пазов), поэтому катушечные группы симметричны и в них наводятся
одинаковые ЭДС. Эти группы можно соединить последовательно или

параллельно.

6)

Рис. 1.79. Звезда пазовых ЭДС
для трехфазной обмотки (р = 1,
9 = 3)

Число витков фазы обмотки для тп-
фазной обмотки с числом а параллельных
ветвей определяется по формуле

(1.74)

2ат

где 5П — число эффективных проводников
в пазу. Эффективный проводник может
состоять из одного или нескольких соеди-
ненных параллельно витков.

Для определения ЭДС фазы обмотки
используется также векторная диаграмма
ЭДС катушечной группы, которую назы-
вают звездой пазовых ЭДС (рис. 1.79).
Звезда пазовых ЭДС на рис. 1.79 дана для
трехфазной обмотки т =3, р = 1, q = 3 (см.
рис. 1.56). Электродвижущая сила фазы
является векторной суммой ЭДС каждой
катушки (рис. 1.79). Звезда пазовых ЭДС
(рис. 1.79, а) дает возможность определить
коэффициент распределения и ЭДС фазы
(рис. 1.79, б) для симметричных и несим-
метричных, двухфазных и многофазных
пЛмогок, когда расчет по (1.73) встречает затруднения. Полученные выше
•л ||>пжения для 1-й гармоники можно распространить на высшие гармоники.

Электродвижущая сила фазы от высшей гармоники поля

E*v = U2/vw^v®v,	(1.75)

|дс Фт„,/, и к^ — поток, частота и обмоточный коэффициент v-й гармо-
IIMMI.

Так как полюсное деление v-й гармоники т„в v раз меньше полюсно-
ю деления 1-й гармоники, то магнитный поток v-гармоники

2	2

®v = -BvmlsTv= —Bvmlsx,	(1.76)

ТС	7CV

I дс Hv„ — амплитуда v-й гармоники индукции в воздушном зазоре машины.
Дли временнйх гармоникfv = vf, а для пространственных гармоник fv =f.

Обмоточный коэффициент для v-й гармоники

^o6v = ^yv^pv^cuv >	(1-77)

। де Ayv, ApV, kCKV — соответственно коэффициенты укорочения, распределе-
ния и скоса для v-й гармоники.

Относительно v-й гармоники угол сдвига проводников катушки ра-
нги v07t (см. рис. 1.75) и

(1.78)

Коэффициент распределения для v-й гармоники
к sin(v7t/2m)
₽v qsm(yn/2mq)

Угол скоса паза относительно поля v-й гармоники (см. рис. 1.76) в v раз
।  шыне, чем для 1-й гармоники, и коэффициент скоса для v-й гармоники

= sin(vM/2t)
”	vj„«/2t

Временные гармоники вращаются с той же скоростью, что и первая.
11ространственные гармоники имеют угловую скорость в v раз меньшую,
। ем основная гармоника, так как rv = t^v, а/=/].

Действующее значение полной ЭДС при наличии высших гармоник

Е = 4E* + E}+El+...+ El ,	(1.81)

|цс Ei, Е3, ..., Ev — амплитудные значения ЭДС соответствующих
 прмоник.
Рис. 1.80. Соединение обмоток в звезду (а)
и треугольник (б)

Высшие гармошки иска
жают ЭДС, и форма напряжг
ния становится несинусоидаль-
ной. Несинусоидальность на-
пряжения в сетях и приемниках
элгктрлческой энергии вызыв^ 
дополнительные потери, приво-
дит к ухудшению КПД и сог <р
Высшие гармоники являются
также причиной шумов и вибра
ций в электрических машинах.

Чтобы снизить-ЭДС от выс-

ших гармоник, стремятся подавить высшие гармоники за счет укорочения
шага обмотки, распределения обмотки по пазам (выбс а достаточи>
большого q) и скоса пазов.

На форму ЭДС оказывает также влияние выбор схемы соединения
обмоток.

В многофазных системах применяются в основном дза соединения — и
многофазную в звезду и в многоугольник. В трехфазной системе, приме
няющейся в энергетике, во вращающихся машинах используются соеди
нения в звезду и треугольник (рис. 1.80).

В трехфазных системах особое положение имеют 3-я гармоника и
кратные ей нечетные гармоники (v = 9, 15, 21 и т.д.). В пятифазных сис
темах особое место занимают 5-я гармоника и кратные ей гармоники и т.д.

В трехфазной системе в фазах А, В, С 1-е гармоники сдвинуты на 120"
относительно друг друга. Электродвижущие силы гармоник, кратных трем, н
фазах Л, В и С совпадают по фазе и при соединении в звезду в лтл ейных на-
пряжениях эти гармоники отсутствуют (рис. 1.80). При соединении обмоток н
треугольник ЭДС гармоник, кратных трем, складываются и со щают ток, цир-
кулирующий внутри обмоток. Эти особенности необходимо учитывать при
проектировании электрических машин и трансформаторов.

Как правило, высшие гармоники ухудшают характеристики и энерге-
тические показатели электрических машин. Высших гармоник поля Hei
только в идеальной электрической машине, в зазоре которой имеется кру-
говое поле. При проектировании электрических машин стремятся поле в
машине максимально приблизить к синусоидальному [7].

1.12. Магнитодвижущие силы обмоток

Магнитное поле в электрических машинах создается токами, протекаю-
щими в обмотках. Если допустить, что равномерный гладкий зазор машины 6
84
•и 11 io ( равнению с диаметром ротора
и нонюсиым делением и машина не

• оцепа, то форма магнитного поля
ощнцсаяется формой МДС.

Магнитодвижущая сила катушки
ншметральным шагом (рис. 1.81)
ври принятых допущениях без учета
«шпицы катушки равна

2FK=wjK. (1-82)

Катушка имеет два полюса (се-
верный и южный), поэтому на один
|в । ин « 1 финимается FK.

11рямоугольную волну МДС
М11*но разложить в ряд Фурье:

Рис. 1.81. МДС катушки при у = т

F. = Z^v cosca/cosva.	(1-83)

1.3.п

Магнитодвижущая сила катушки состоит из бесконечного ряда не-
•и । пых гармоник, каждая из которых изменяется по гармоническому за-
Впиу и пространстве (cos va) и во времени (cos at).

При обтекании катушки переменным током амплитудное значение
цервой гармоники МДС

4>/2

С-84)

Магнитодвижущая сила двух катушек с укороченным шагом у < т
(рнс. 1.82) может быть представлена в виде трапеции. При разложении в
। ирмонический ряд трапецеидальной МДС амплитуды высших гармоник
шнчительно меньше, чем при прямоугольной МДС.

Магнитодвижущая сила катушечной группы имеет ступенчатый вид
и • тс ближе приближается к синусоиде (рис. 1.83).

Рис. 1.83. МДС катушечной группы

Рис. 1.82. МДС катушки при у < т
Магнитодвижущая сила фазы равняется сумме МДС системы кату,
шек, составляющих обмотку.

Для трехфазной обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу, и
фазах которой протекают токи

ia = -Jll cos at;

(1.85)

результирующее поле получается при сложении пар пульсирующих волн
МДС каждой фазы:

Ла. = “ Л>~ cos(cor - va)+| F^ cos(tof + va);

cos

=1₽
2F<b

17	1 77

Fb, =-Л^. cos

(1.85а)

cos

1 „	[7 4л А ( 4л V

+ - cos^co/ - у J + v|^a - у J

2л/2 wk ,
где F. =-------I — амплитудное значение v-й гармонической МДС

л vp

фазы.

При суммировании прямые последовательности создают изменяю-
щиеся по синусоидальному закону МДС с амплитудой Уг F$v, а обратные
последовательности поля не создают.

Для 1-й гармоники МДС трехфазной обмотки

Т,=Ч.=—^'=1.33^7.	(1.861

2 * л р	р

Здесь

, _ 2V2 а^, 7 _ 0 9 Щ*О61 J

*' л р ' р

где ток фазы равен 1=1¥а(а—число параллельных ветвей обмотки) (1.85).
В общем случае МДС для w-фазной обмотки для v-й гармоники

F =HLF	J

2 *v л vp

(1-87)

Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки в симметричной маши-
М представляет собой периодически изменяющуюся кривую, поэтому
разложении в гармонический ряд четные гармоники отсутствуют.

Нечетные гармоники трехфазной обмотки можно разбить на три
। конечных спектра: высшие гармоники с номерами 6п + 1, 6п - 1
РМ w — простые целые числа) и гармоники, кратные трем (3, 9, 15 и
। и ) Гармоники ряда би + 1 (7, 13, 19-я и т.д.) вращаются в ту же
трону, что и 1-я гармоника, соответственно с синхронной угловой
порос гью, меньшей в v раз по сравнению с синхронной угловой ско-
ро! 1ыо первой гармоники (сос1).

I прмоники ряда би - 1 (5, 11, 17-я и т.д.) вращаются в сторону, про-
пан шоложную вращению 1-й гармоники, с синхронными частотами вра-
но они <ocl/v. По отношению к этому ряду гармоник машина находится в
о>рмопюм режиме.

I прмоники, кратные трем, так же, как и 3-я гармоника в трехфазной
। in ICMC, замыкаются внутри треугольника и создают поле, близкое по харак-
i>pv влияния на рабочие процессы полю нулевой последовательности.

Для определения МДС обмоток часто применяется графический спо-
|Ч<>, и основе которого лежит принцип наложения. В местах расположе-
нии xaiynieK МДС изменяется скачком, а на участках без тока МДС не
в'меняется (рис. 1.84). Суммируя МДС на участках, можно определить
Р • iv hi. тирующую F.

11роведем построение МДС для трехфазной двухслойной обмотки
/| 4, q = 2, z = 24 с шагом у - % т (см. рис. 1.67). После того как будет
нцчерчен график распределения фазных зон для обмотки (рис. 1.84, а и г),
мим одного из положений векторной диаграммы определяются токи в фа-
нт обмотки, а затем и результирующие токи в пазу (рис. 1.84, в и е). Для
момента времени, которому соответствует векторная диаграмма рис. 1.84, б,
|о*п iu =ic =	, a TOK 1a ~	> где = з/2/. С учетом направлений

iimoii и их амплитуд определяем результирующие токи в пазах (рис. 1.84, в) и
pin прсделение МДС по статору (рис. 1.84, г).

Такие же построения повторяются для другого момента времени, и
»। роится распределения токов и МДС (рис. 1.84, в—ё). Для векторной
V3

Hui раммы рис. 1.84, д /в = 0, a iA = -ic ~~^^т ‘
Рис. 1.84. Построение МДС трехфазной обмотки

Для симметричных обмоток с целым q кривые токов и МДС симмет
ричны относительно оси абсцисс. При повороте векторной диаграммы
фазных токов, т.е. при изменении времени, максимум МДС перемещается
относительно статора. Таким образом, в воздушном зазоре образуется
вращающееся магнитное поле.
Форма МДС изменяется во времени, а ее вид зависит от выполнения
й >оц и — одно- или двухслойной, числа пазов на полюс и фазу q иуко-
I'lriHix. Кривая приближается к синусоиде, когда q увеличивается, а
• 1р< >чщ1ие у «0,8т. Однако синусоидальное распределение МДС воз-

» мню только при синусоидальном неравномерном распределении витков
» «п шл машины. Обмотки с синусоидальной МДС называются синусны-
ми обмотками. Они применяются только в специальных машинах.

Помотай с дробным q имеют несимметричную кривую МДС, и она
«г «г। иметь различный вид под разными парами полюсов. Графическое
11 роение МДС для обмоток с дробным q проводится так же, как и для
li.niin.ix обмоток.

1.13.	Электромагнитный момент

В ЭП самой удивительной особенностью перед другими преоб-
। । и mu гелями энергии является электромагнитный момент (А/Эм), который
при »лсктромеханическом преобразовании энергии возникает там, где
шпцснтрирована энергия магнитного поля.

Подойти к определению Мм можно, рассматривая уравнения поля
ши уравнения цепей. Оба подхода правомерны, так как рассматривают
чпо и то же явление. В природе, а также во всех ЭП, не бывает токов без
мт иигных полей, также, как всегда магнитные поля создаются контура-
I! и которых протекают токи.

Механическое или пондеромоторное, взаимодействие токов под-
пишется закону Ампера. Для проводника с током 1, находящегося во
•нгишсм магнитном поле В, электромагнитная сила F определяется
в₽к1орным произведением:

F = [/B]Z,	(1.88)

i/н / — единичный вектор длины проводника с током I.

Когда в результате применения уравнений Максвелла определено
чш пи гное поле, электромагнитные силы удобно выразить через, так на-
1мппсмый, тензор натяжения:

_	__ и//2

7;,=ИоЯ„Я-И() —,	(1.89)

Ни Н„ — составляющая вектора напряженности магнитного поля Н в на-
орпилении орта п , нормального к рассматриваемому участку поверхно-
। и. ро — магнитная проницаемость вакуума.
Интегрируя тензор натяжения по всем поверхностям, на которых
имеет место существенное значение магнитного поля, можно перейти •
значениям электромагнитных сил и момента.

Иногда целесообразно определять электромагнитные силы и момен
ты из выражения удельной энергии, равной скалярному произведении!
плотности тока и векторного потенциала стороннего магнитного поля:

SW 1 — 1--------

---— —AJ = —BH.	(1.901
dt 2	2

Теория цепей дает более наглядное определение сил и моментов и
она получила в электрических машинах наибольшее распространение. II
теории электрических цепей электромагнитный момент определяетси
произведением всех токов, протекающих в контурах электрической ма
шины.

Обращаясь к модели обобщенной электрической машины (рис. 1.28)
можно выделить три составляющих (три сорта пар произведений токов):
произведения токов, протекающих в статоре и роторе в разных осях ма
шины, произведения токов в статоре и роторе по одной оси и произведе
ния токов статора и ротора в разных осях машины.

Для простейшей обобщенной машины электромагнитный момент
^эм =	+ -Чшб + Л/жф =

=	- is&)+,	(1.91)

где Л/вр — вращающий; Л/ви6 — вибрационный; Мдеф — деформационный
моменты; М, М\ Мг — взаимные индуктивности между обмотками стато-
ра и ротора, между обмотками статора и между обмотками ротора; ,
/ц, /р — соответственно, токи статора и ротора по осям а и р-.

В электрических машинах М » М° » Мг. Взаимные индуктивности
между обмотками статора или ротора определяются, в основном, потока
ми рассеяния в лобовых частях обмоток, которые замыкаются по воздуху

Почти во всех электрических машинах основную роль в Л/Эм играс|
вращающий момент; Л/внб определяет вибрации и шумы электрические
машин; Mae$ значительно меньше двух других составляющих Мэы.
определяет деформации лобовых частей обмоток электрических машин,
от которых зависит надежность электрических машин.

Так как взаимная индуктивность между лобовыми частями обмоток
статора или ротора много меньше взаимной индуктивности обмоток ста
тора и ротора, определяемой рабочим потоком, деформационный момен i
в большинстве случаев можно не учитывать.

Л/ви6 создает вибрации и шумы, действуя на ротор и статор в ради
альном направлении с двойной частотой по отношению к частоте токов.
90
В первом приближении, при некруговом поле при определении шу-
м«н it вибраций можно использовать только одну составляющую Л/виб.

В установившихся режимах при наличии кругового поля в воздуш-

I юре можно считать, что электромагнитный момент равен вра-
•'I«ицсму моменту Л/эм = Мр, а Мшб и Л/деф равны нулю. В динамике и
| и штинусоидальном поле необходимо делать соответствующие ого-
вор* и, если используется только одна составляющая Мэм.

При определении Л/Эм симметричной многофазной машины ее при-
нт'। к эквивалентной двухфазной



(1.92)

ffttn — число фаз.

||сли в обмотках статора и ротора электрической машины (рис. 1.28)
 лгт [ротекать постоянный ток, то через некоторое время обмотки оста-
новятся в нейтральном положении. Чтобы непрерывно создавался элек-
ромигшпный момент, необходимо создать вращающееся поле. При этом
।1 ‘мотках статора и ротора должны протекать переменные токи или в
ной из обмоток (статора или ротора) постоянный ток, а в другой —
1 ременный.

Образование электромагнитного момента при протекании перемен-
ны ч юков показано на рис. 1.85. Произведения токов при изменении зна-
»ц|| гоков в статоре и роторе знака не изменяют, а когда токи в статоре и
|Н‘ц|ре имеют различные направления, знак электромагнитного момента
и* сняется.

11ри сдвиге токов статора относительно токов в роторе из-за наличия
1 ивной составляющей произведения токов дают среднюю составляющую
Момента, зависящую от сдвига токов в статоре и роторе (рис. 1.85).

Электромагнитный момент обобщенного электромеханического пре-
»| шователя определяется произведениями всех токов, протекающих в

пПмогках машины.

11ары произведений то-
»|щ по вращающем моменте
«Mio разделить на две
||>¥нпы. К первой группе
hi носятся члены, создающие
нршспощие. тормозные или
I wit раторные моменты, ко
М1<||и>й — создающие пуль-
нрующие моменты. Первые

Рис. 1.85. Электромагнитный момент электриче-
ской машины

1‘цшотся полями статора и
poiopa, неподвижными от-
носительно друг друга. Пульсирующие моменты создаются полями, перем-
щающимися относительно друг друга.

Пульсирующие моменты вызывают вибрации и не создают средней
составляющей момента в установившемся режиме.

Электромагнитный момент определяет основные показатели все»
электрических машин и к нему мы будем обращаться в каждом раздел»
учебника.

1.14.	Уравнения электромеханического
преобразования энергии

Любая теория приобретает значение для практических применении
если она имеет математическое описание. Наряду с так называемыми <|ш
зическими представлениями, математические модели в электромеханик
имеют первостепенное значение.

Подходя к изучению теории электрических машин в начале XXI и,
как и электромеханики в начале XX века, естественно, попытаемся напи-
сать уравнения, так, как это видит наблюдатель, находящийся вне маши-
ны. Так как модель обобщенной электрической машины подходит дли
большинства машин, целесообразно для нее и записать уравнения эле»
тромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим двухфазную двухполюсную электрическую машину
имеющую две ортогональные системы обмоток статора wsa, wsb и ротор»

Рис. 1.86. Модель обобщенной машины в
непреобразованной системе координат

w', wb> (Рис- 1-86). При ра
боте машины обмотки стало
ра и ротора перемещают
относительно друг друга, |
угол 6 между осями обмото»
определяет относительную
частоту вращения. При нс
подвижном статоре

°-”

С осями обмоток (рн<
1.86) удобно совместить коор
динатные оси статора (as, b.) и
ротора (ап Ь,). При этом можи-
говорить об относительном
перемещении как обмоток сш
им • > и ротора относительно друг друга, так и координатных осей (а„ bs и а„
К  ' >ги оси в теории электрических машин получили название естественных
и фиговых непреобразованных координат.

Можно предположить, что с осями обмоток совпадают векторы по-
 I- цеплений обмоток (Т* ,'¥'ь и	) и токов обмоток (isa,isb,Га и

) (рис. 1.86).

При вращении ротора обмотки статора и ротора изменяют положе-
 относительно друг друга и при этом изменяются их потокосцепления
и 1оки. Потокосцепления обмоток статора с обмоткой ротора зависят от
। пи О между осями обмоток и определяются следующими соотношениями:

+McoseC-MsinGi'-
ч>ь = Lsbfb+Mcosez;+м sine/;;
T' = Lra ira + M cos Gi’ + M sin 6ib;
Tj = Lrbib + M cos6ij - M sin Gi‘,

(1-94)

Hir lu Lsb, Lra, Lrb— соответственно полные индуктивности обмоток
। in юра и ротора по осям a, b; М— взаимная индуктивность между об-
"III нами статора и ротора.

11плная индуктивность, например, обмотки статора по оси а:

£>М + £оа,	(1.95)

1	* I п.1 — индуктивность рассеяния обмотки статора по оси а.

11	воздушном зазоре машины благодаря определенной комбинации
Himoiok в пространстве и временнбму сдвигу токов и напряжений обра-
огк я вращающееся поле. При синусоидальных напряжениях на выводах
"«сильной машины в воздушном зазоре имеется круговое поле. Частоты
hiniiii в статоре и роторе в соответствии с третьим законом электромеха-
ники жестко связаны между собой, и поля статора и ротора неподвижны
hi шкительно друг друга.

Круговое поле в воздушном зазоре можно представить результи-
(пкицими векторами индукции

В’ = В*а + jBsb ; Вг ± В'а + jBb	(1.96)

и шн окосцеплений

Ф1 = т; + f¥sb; Ф' = т; +		О -97)

В (1.96) и (1.97) составляющие индукции и потокосцеплений есть
Iцюскции на оси координат статора и ротора (рис. 1.86).

В виде результирующих векторов можно представить напряжения
। н । ора и ротора Us, Ur, а также токи статора и ротора Is, I'.
Для результирующих векторов уравнения напряжений записывают
в следующем виде:

Us =TRS +—, Ur =I'R'
dt	dt

(1.9И1

Так как рассматривается симметричная машина, активные сопротип
ления обмоток по осям статора равны 7?1 = rj = г/ и R' = г' = г£ .

Из (1.98) после разложения результирующих векторов на cocr.ui
ляющие по координатным осям получим дифференциальные уравнен»»
напряжений в естественных или фазовых непреобразованных координатах.

«г, = Чгъ

-и.

-чь=ЦГь

Mt.
dt ’

dt ’

<d¥r

+ —a-
dt

j___L

dt

(1.99)



В (1.99) частоты токов статора и ротора различны, поэтому токи и
потокосцепления обмоток статора и ротора имеют также различные час
тоты, коэффициенты взаимной индуктивности и полной индуктивное 111
перед токами в (1.94) изменяются с двойной частотой по отношению к
токам и напряжению. Знак минус в уравнениях ротора в (1.99) свидетель
ствует о том, что активная мощность поступает со статора в ротор.

Если подставить значения потокосцеплений из (1.94) в (1.99), полу
чим громоздкие уравнения с периодическими коэффициентами. Чтобы
упростить эти уравнения, надо преобразовать их к уравнениям с постояв
ными коэффициентами.

В теории электрических машин широко применяется преобразование
координат. Преобразование координат осуществляется при условии инва
риантности (неизменности) мощности.

При преобразовании координат наблюдатель (система координа,)
располагается в воздушном зазоре и может вращаться с любой скоро
стью. При вращении наблюдателя с произвольной скоростью ок, при не
подвижном статоре, частота напряжения в этой системе координат равви
(£>с ±	. Эту систему координат обозначают и, v и она используется для

исследования машин с вращающимся статором и ротором.

Можно иметь бесконечное число координат, соответствующих лк>
бой скорости о>к. В теории электрических машин применяется ограничен
число координат. Неподвижные координаты (соц = 0) получили название
••«ринпат а, р. В координатах а, Р наблюдатель рассматривает процессы
и ратования энергии со стороны неподвижного статора. Система коорди-

•I и, Р широко применяется для исследования асинхронных машин.

Дчя исследования синхронных машин применяют систему координат
I «/ 11ри этом Иц = (Ор = <ос, а наблюдатель «помещается» на ротор. Нахо-
«м । на роторе, наблюдатель «видит» в воздушном зазоре неподвижные
ни» чтельно ротора поля статора и ротора. Если мысленно остановить
p<tup картина для наблюдателя не изменится. Моделирование уравнений
• i и г*:ме координат d, q на ЭВМ производится на постоянном токе. В
ЯК kmc координат а, Р моделирование уравнений производится на пере-

еикцпм токе.

Системы координат а, Р и 4 q — наиболее распространенные. Естест-
•Miiijc непреобразованные координаты и координаты, вращающиеся с про-
। 1ИЫ1ОЙ скоростью, применяются реже. Вопрос о применении и преобразо-
ititn координат подробно рассматривается в специальных курсах [4].

Уравнения электромеханического преобразования, записанные через
шан, в системе координат а, Р для обобщенной машины (рис. 1.28) вы-
- <и< i следующим образом:

й	«	«  X» ч	Q >	Р	=	. d тз r’+—L„ ° dt °  d з, —м dt  -М(ар	d  —М dt  , d _r  Г 4	Д,  ° dt °  -L>v	0  r d T, tn "1	Ln  p dt ₽	0  Л/®р d  — M dt	X		,	(1.100)
«р		0	0	KA	J	+ —LS dth			
							f	

Ml ч',. «р, ura, Up, i', ip, i', ip — соответственно напряжения и токи в

•нках статора и ротора по осям а и Р; rj , Гр , г', грг — активные сопро-

• и» пения обмоток статора и ротора; М— взаимная индуктивность; ,
/, , l,p — полные ин дуктивности обмоток статора и ротора по осям а и р.

Индуктивности обмоток:

^=Л/ + 4О;

<=A/ + Z,;O;
Z,p = Л/ + Z^;
Zp = М + Lpa,

(1.101)
где Lsaa, Lpa , Lraa, L1^ — индуктивности рассеяния обмоток статора
ротора по осям а и ₽.

Индуктивные и активные сопротивления относятся к фазе машины и
определяются расчетным или опытным путем по схемам замещения .
формулам проектирования.

Уравнения напряжений для неподвижных обмоток в обычной зашв к
имеют вид

и’ = 'X + L"—C+M—ir„,
“	° “	“ dt “ dt “

(1.10’1

а для вращающихся обмоток

«« = +<ira + L'a+Lrp(avip + Мор/* .	(1.101

at	dt

Уравнения (1.100) записаны для приведенной машины с псевдонепа
движными обмотками, у которой одинаковое число витков на суаторе I
роторе. Чтобы сохранить инвариантность мощности в реальной машине и
машине с неподвижными обмотками, в уравнения вводят ЭДС вращении
выражающиеся произведениями Lrp(ofip + Mafip для обмотки ротора ни
ОСИ а И -	- A/copi’ — по оси р.

Уравнения Кирхгофа (1.100) включают в себя напряжения, падении
напряжения на активных сопротивлениях, ЭДС вращения, которые ин
дуктируются только во вращающихся обмотках, и трансформаторные ЭДС:

TS d . d ,
£и —f + M—i
dt dt'

., d rr d .

M—i + L—i
dt °	° dt

ri d	. d .

e7ttp+ 7t1'

(1.10-1)

‘И’



Процессы электромеханического преобразования энергии описыви
ются уравнениями напряжений (1.100) и уравнением движения

1 da„
M^=-J—L±Mt
p at

(1.105)

где Mc — момент нагрузки на валу или момент сопротивления; J— ми
мент инерции. Если электрическая машина исследуется вместе с привод
ным механизмом, необходимо учитывать и приведенный момент инерции
>♦ < |ишма. Знаки перед Мс в (1.105) определяют двигательный или гене-
| «1<||>ный режим работы

Игсктромагнитный момент определяется (§ 1.13) по (1.92).

('истемы координат а, р, d, q и и, v наиболее распространены и по-
• шюг составить уравнения, практически, для всех встречающихся за-
«н Выбор системы координат упрощает уравнения, позволяет получить
(^мнения с постоянными коэффициентами, но не снижает числа неиз-
 IIII.IX.

Выраженные в той или иной системе координат уравнения преобра-
имшипются в соответствии с правилами математики. Одним из важных
тн* мов преобразования является замена переменных:

(1.106)

19 /<>.. — мгновенные составляющие тока холостого хода по осям аир.

Уравнения напряжений и моментов могут быть выражены через по-
»<к цепления, токи статора и ротора, намагничивающие токи и потокос-
‘•пп пия [4].

(’истемы из четырех уравнений напряжений и уравнения моментов
*•- апогея фундаментальными уравнениями электромеханического преоб-
•ииппния энергии, записанными в различных системах координат.

В простейшем виде уравнения электромеханического преобразова-
И I шергии представляют собой систему из пяти уравнений. В них пять
Ц нишсимых (напряжения и момент сопротивления) и пять зависимых
I »••*» и угловая скорость) переменных. Коэффициенты перед зависимыми
«•ременными (активные сопротивления, индуктивности, взаимные ин-
ок i инности и момент инерции) являются параметрами. В зависимости от
ют уравнений коэффициенты при переменных могут быть постоянны-
ми, периодическими и нелинейными.

Дифференциальные уравнения электромеханического преобразова-
ть шергии не имеют точного аналитического решения, так как они со-
• *пт произведения переменных. Для их решения применяют ЭВМ.
Ivftiocib решения уравнений электромеханического преобразования
iiiipniH зависит от класса ЭВМ. Можно решить (1.100), (1.105) с помо-
шыо )ВМ с такой высокой точностью, которая даже не требуется для
«снсрной задачи.

Уравнения электромеханического преобразования энергии не имеют
1»|||с||ия, если любой из параметров, входящих в уравнения, равен нулю
н hi бесконечности. Если активные или индуктивные сопротивления рав-
ны бесконечности, токи равны нулю и машина не развивает момента. При
) - > машина разгоняется бесконечно долго. При J = 0 машина не мо-
жет достигнуть установившейся скорости, так как ротор реагирует на нсг
изменения произведений токов, создающих момент, и не разгоняет*
При этом средняя составляющая электромагнитного момента отсутстп
ет. При равенстве взаимной индукции нулю нет магнитной связи межд\
обмотками статора и ротора и электромагнитный момент равен нузю
(1.106). Если в контурах электрической машины, где замыкаются токи,
активные сопротивления равны нулю, устройство работает как накоги
тель энергии. При этом постоянные времени равны бесконечности, междл
токами статора и ротора, создающими Л/эм, сдвиг 90°, средний электр**
магнитный момент равен нулю (см. рис. 1.86).

Дифференциальные уравнения электромеханического преобразоз*
ния энергии описывают переходные и установившиеся режимы. Уравн<
ния установившегося режима при синусоидально изменяющихся токах и
напряжениях получаются из дифференциальных уравнений путе-i заме! и
оператора дифференцирования d/dt на jox Вывод уравнений для устав**'
вившегося режима для каждого типа электрических машин проводится п
соответствующих параграфах курса.

В установившихся режимах, когда ©р = 0, можно уравнения напря-
жений и уравнение движения рассматривать отдельно и использовать дл>
их анализа аналитические решения. В курсе электрических машин для
анализа установившихся режимов, как правило, используются уравнен**
напряжений, а при изучении работы электрических машин в электропр.
водах — уравнение движения.

При изучении электрических машин исследование уравнений элек
тромеханического преобразования на ЭВМ имеет огромное значегае
Применение вычислительных машин для решения задач электромеханик*
в последние десятилетия имели решающее значение для развития теории
электрических машин.

Математической теорией электрических машин студенты-электроме
ханики занимаются, практически, во всех спецкурсах. В общем курс
уравнений электромеханического преобразования энергии касаемся лили,
в необходимой степени для изучения основных положений теории элек
трических машин.

1.15. Параметры электрических машин

Параметры электрических машин — это коэффициенты перед нез?
висимыми переменными в уравнениях, описывающих электромеханич
ское преобразование энергии. Обычно независимые переменные — это
токи. Уравнения могут быть как дифференциальными, так и комплекс-
(ыми или алгебраическими. Наиболее строгое описание процессов элек-
юмсханического преобразования энергии дают дифференциальные

•|<>И1нения.

11араметрами электрических машин являются активные и индуктив-
IВ сопротивления и момент инерции. Вместо индуктивных сопротивле-
ний удобно применять индуктивности — полные, взаимные и рассеяния.
I их им образом, L, М, La, г обмоток машины и момент инерции J есть па-
|чмнры машины.

Обычно параметры относят к фазе машины (за исключением момен-
|« ипсоции), что облегчает их опытное определение и запись уравнений
<>| ‘ >разопания энергии.

Активное сопротивление фазы обмотки определяется по формуле

Го=Р„— кг,	(1.107)

f дя /,,р — длина проводника; qnf — поперечное сечение проводника; кг —
ффициент, учитывающий увеличение активного сопротивления за счет

г рпнномерного распределения тока по сечению проводника; р„ —
Ь иыюе сопротивление материала проводника, которое зависит от тем-
пцчиуры обмоток, поэтому при расчетах сопротивление приводится к
рм-'и-тной температуре, равной 75 °C. В табл. 1.3 приведены значения ри
ст медных и алюминиевый обмоток.

Таблица 1.3

Материал обмотки	Удельное сопротивление материала обмотки, 10-6 Ом-м, при температуре, °C		
	20	75	115  1 41
Медь	1  57	1  47	
Алюминий	1  35	1  28	1  26
Алюминий лигой	1  30	1  24	1  22

Неравномерное распределение переменного тока по сечениям про-
шщников, расположенных в пазу, происходит за счет различного индук-
Hitiiioro сопротивления проводников, лежащих на дне паза и у клина. Не-
рйнпомерное распределение тока может иметь место в параллельных вет-
м.ч катушечных обмоток, не лежащих в пазу, когда параллельные ветви
99
находятся в различных уело
виях и имеют отличающие) ц
сопротивления. Чтобы умет,
шить кг, применяют транию
зицию витков. Проводники
принадлежащие различным
параллельным ветвям обмш
ки, располагают так, чтобы
все параллельные ветви на
ходились в одинаковых уело
виях. Существует несколько
способов выполнения транс
позиции, которые можно раз
делить на два вида —
транспозицией проводникои
в пазовой и в лобовой частях
обмотки.

На рис. 1.87 приведен пример выполнения транспозиции в пазовоП
части обмотки статора турбогенератора. Плетеный стержень состоит ит
медных проводников сечением 10—20 мм2, занимающих попеременно
все возможные положения по высоте и длине паза. Транспозиция осуще-
ствляется путем выгиба на ребро проводников. Выгибы отдельных про-
водников смещены относительно друг друга на определенную величину,
называемую шагом плетения. Плетеный стержень состоит из двух поло-
вин, которые формируются в один стержень.

В большинстве машин стержни обмотки имеют транспозицию, когда
каждый элементарный проводник совершает один полный оборот вокру>
оси стержня на протяжении длины активной части. При этом шаг плетс

/8

ния равен t = —, где /в — активная длина машины, п — число элемен 
2л

тарных проводников. Расстояние между двумя выгибами на ребро равно

4

На рис. 1.87 показаны сечения стержня об-
мотки в четырех плоскостях. В исходном сечении
1—1 и в конечном 4—4 положения элементарных
проводников совпадают.

В электромашиностроении применяются и
другие виды транспозиции, которые рассматрива-
ются в соответствующих главах книги.

При определении сопротивления коротко-
замкнутых обмоток считают, что число фаз корот-

Рис. 1.88. К опреде-
лению сопротивления
короткозамкнутой об-
мотки ротора
1МН1Мк11утой обмотки равно числу стержней, т.е. т2 = z2, где т2 — число
фи 11 >< > I ора, z2—число пазов ротора. Обмотка каждой из фаз состоит из одно-
i  । к ржня 1 и двух частей короткозамыкающего кольца 2 (рис. 1.88).

(>нределение индуктивностей и индуктивных сопротивлений расчет-
МММ н опытным путями относится к наиболее важному и трудному разде-
». । горни электрических машин. Наличие многих контуров, насыщение
М1|>удпяют определение индуктивностей. При определении индуктивно-
il ( чсдует иметь в виду, что индуктивности относятся к фазе обмотки,
I рабочее магнитное поле — общее для машины и создается токами, про-
нмющими во всех фазах обмотки машины. Если по обмотке фазы про-
i»nnri гок с амплитудным значением -J2I, то из (1.86) амплитудное зна-
чите МДС обмотки фазы по 1-й гармонике

Fyn = 2^Iwk°6' .	(1.108)

пр

)ia МДС создает в воздушном зазоре магнитное поле с индукцией
ВУт = Мо^лЛо = 2yl2Iwk^0-.	(1.109)

itpok^

( читая, что ось поля совпадает с осью фазы, найдем потокосцепле-
Ш1< фиты

2

= ^Об1ф1т = -Ч^об15.т >	(1110)

л

। л Ф|т — поток первой гармоники; В1т — индукция первой гармоники в
ш*|душиом зазоре машины.

Тогда главная индуктивность фазы

=—rW^oei) 77~-	(1-111)

V2/ рп	oks

Для многофазной обмотки взаимная индуктивность между обмотка-
ми с гатора и ротора

II к» | S ь	pit	oks	(1-112)
Для трехфазной машины		
L ЛЬ  12 2La	pit	OA.g	(1.ПЗ)

При расчете параметров электрических машин необходимо помнить,
• I- какой модели определяются коэффициенты в уравнениях. При рас-
смотрении уравнений машины с постоянными коэффициентами, KOTopi.it
были получены после ряда преобразований, параметры в них постоянны!
Уравнения для установившегося режима, для которых строятся вектор
ные диаграммы и схемы замещения, имеют постоянные коэффициенты.

При вращении поля в воздушном зазоре и перемещении обмоток рс
альной машины взаимные индуктивности между обмотками фаз статора и
ротора изменяются по гармоническому закону, так как изменяется расио
ложение обмоток относительно друг друга. При этом в уравнениях для
непреобразованной системы координат взаимная индуктивность между
фазами будет

= р*"' - —^-cosa = LA cos и..

J1I	A

(1.11-1)

Для трехфазной обмотки угол между фазами обмоток равен 2тг/3 и
4л/3, поэтому амплитудные значения индуктивностей

L^= LCa=—^-•	(1.115)

Как уже отмечалось, поле рассеяния обмотки принято делить на три
части — на поле рассеяния пазовой части, лобовой части обмотки и рас
сеяние за счет высших гармоник (см § 1.7). Индуктивность рассеяния об
моток определяют по формуле

La=2^w2^Ka,	(1.116)

PQ

где А.п = Хп + Х.л + Х,д — соответственно коэффициенты проводимости

пазового, лобового и дифференциального рассеяния для обмотки статорп

или ротора.

При определении коэффициента магнитной проводимости паза по

Рис. 1.89. Поле пазо-
вого рассеяния откры-
того прямоугольного
паза

закону полного тока, принимая для стали = оо,
рассчитываем индукцию поля рассеяния, а затем
потоки рассеяния потокосцепления с проводника
ми катушки. Потокосцепление пазового рассеяния
для катушки с числом витков ьук, обтекаемой то-
ком iK, может быть определено из соотношения

(1-117)

где Хп — коэффициент магнитной проводимости
рассеяния паза, безразмерная величина.

Для открытого паза с прямоугольными степ
ками (рис. 1.89)
 h2
3b„ bn-

(1.118)

I Управление силовых линий искажается при усложнении формы па-
41 11праллельность силовых линий особенно искажается вблизи воздуш-
»>1 о зазора (см. рис. 1.46). Эффект изменения рассеяния в этой части паза
пцывается добавочной составляющей рассеяния, которую называют
|*м< сеянием по коронкам зубцов.

11азовое рассеяние тем больше, чем выше пазы, а ширина их меньше.
I Uioaoe рассеяние в сильной степени определяется степенью раскрытия паза.

11оле лобовых частей имеет сложный вид из-за того, что в лобовых
Wk tax секции обмоток, принадлежащих разным фазам, переплетаются и
Ми поле рассеяния лобовых частей обмоток оказывают влияние стальные
। >i in машины (магнитопровод, подшипниковые щиты, станина).

Коэффициенты Хп и Хл обычно рассчитываются при достаточно
•шп.ших допущениях, и в расчетных формулах часто используются полу-
• ишрические коэффициенты. Расчетные формулы для А.п и Хл для раз-
личных пазов и обмоток приводятся в книгах по проектированию элек-
1р||'|сских машин [7].

Проводимость дифференциального рассеяния определяется наличием
Попей высших гармоник в воздушном зазоре. Чем больше кривая поля в зазо-
। сличается от синусоиды, тем больше дифференциальное рассеяние.

Коэффициент проводимости дифференциального рассеяния рассчи-
1ы кается по формуле

= —-—Е,
125its

(1119)

I /, — зубцовое деление; Е, — коэффициент, зависящий от выполнения
ибмотки, степени раскрытия пазов и влияния вихревых токов, для раз-
личных типов машин лежит в пределах 0,4—1.

В асинхронных машинах пазовое, лобовое и дифференциальное рас-
t «пия имеют примерно одинаковую величину. В крупных синхронных
машинах дифференциальное рассеяние обычно меньше пазового.

Сумма взаимной индуктивности и индуктивности рассеяния опреде-
на«т полную индуктивность L = Lu+La. Часто Ln обозначают как М, а
индуктивность рассеяния L„ и L = М + La соответственно с индексом 1
для первичной и индексом 2 для вторичной обмоток.

Зная индуктивности обмоток, определяют индуктивные сопротивле-
нца обмоток: х = и£ — полное индуктивное сопротивление обмотки,
 <аМ — сопротивление взаимной индукции и х = ю£о — индуктив-
нп< сопротивление рассеяния.
Индуктивное сопротивление взаимной индукции между обмотками
статора и ротора

х12 = ш.£12 =	. (1.120)

рте	oks л kso р

Индуктивное сопротивление рассеяния обмотки статора

= “14, = 27tfi2p.Bu>t —4 = 4*Ho/i >	(1121 >

PQ	РЯ

Индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки

Хо2 = И>242 = 2,?4а2 •	(1.122)

Обычно индуктивные сопротивления рассеяния обмоток имеют зна
чение от нескольких процентов до 10—15% сопротивления взаимной ин
дукции. Однако в микромашинах и специальных машинах сопротивления
рассеяния могут быть больше этих значений.

При изменении режимов работы, а также в переходных режимах —
при пуске, реверсе, повторном включении — активные и индуктивные
сопротивления изменяются из-за вытеснения тока в токопроводящих час-
тях и насыщения магнитной системы. Поэтому при исследовании элек
трических машин рассматривают переходные и установившиеся парамет-
ры электрических машин.

Сопротивление взаимной индукции в большей степени зависит от
насыщения, чем сопротивление рассеяния, так как поток рассеяния в ос-
новном замыкается по воздуху. Однако при коротких замыканиях, когда
токи увеличиваются в 10—15 раз, пути потоков рассеяния насыщаются, и
индуктивное сопротивление рассеяния изменяется.

Расчет и опытное определение параметров электрических машин в
динамических режимах осложняются наличием контуров в электрических
машинах, которые нельзя разомкнуть (демпферные обмотки, контуры
вихревых токов), наличием нескольких обмоток и насыщением. Переход-
ные параметры определяются по результирующим кривым токов.

Момент инерции J является мерой инертности тела и во многом оп-
ределяет динамические свойства машины. Момент инерции ротора элек-
трической машины равен сумме произведений масс всех его точек на
квадраты их расстояний от оси вращения:

Jf = \^dV,	(1.123)

v

где р — расстояние до оси вращения; dV—элемент объема; у — плот-
ность вещества ротора.
Для расчета момента инерции ротор делят на несколько частей,
имиощих простую форму и состоящих из одного и того же материала, и
ипрсделяют для них момент инерции. Общий момент инерции ротора
hi i| оделяется суммой моментов инерции отдельных частей.

11ри одной и той же массе момент инерции тела с меньшим радиусом
меньше, чем при большем радиусе. Поэтому двигатели, работающие в
переходных режимах, стремятся делать с малым диаметром ротора и
боиыней длиной. Если требуется при пульсирующей нагрузке получить
hnarc равномерную скорость, проектируют двигатель с бблыпим момен-
luM инерции, выбирая ротор с большим диаметром и меньшей длиной,
большой момент инерции в гидрогенераторах улучшает их устойчивость
Н|>и параллельной работе с сетью.

Точность решения уравнений электромеханического преобразования
iiirpi ии зависит не только от того, как составлены уравнения, но и от
iii'iiiocth определения параметров, входящих в эти уравнения. Поэтому
определению параметров в теории электрических машин уделяется боль-
шие внимание.

1.16.	Система относительных единиц

Система относительных единиц широко используется в теории элек-
|ричсских машин. В этой системе напряжения, токи, мощности и пара-
ми ры выражаются в долях базисных значений этих величин. В качестве
Пншсных значений принимаются номинальные значения тока, напряже-
нии. мощности, частоты вращения, сопротивления, а также момента
инерции, параметров и других показателей. Относительные величины
ибо тачаются звездочкой.

Относительный ток

А=у-.	(1.124)

^НОМ

Относительное напряжение

и^=-~-	(1.125)

НОМ

Относительная мощность

Р.= — = ——— = U.I..	(1.126)

^ном "'ЦюмЛюм

Относительные угловая скорость и частота вращения
о 2пп и
ю. =----= —-------=-----= п..

MUM	ЯК1М

Относительный момент вращения

М Ма
М, = —— = -——.
^'ОМ ^нои

(1.12/1



В качестве базисного или номинального значения сопротивления
принимается

(1.12М)

^НОМ

Относительные значения г, х, z:

— ;	г.=-5-.	(1.1301

Z	Z	Z

ном	ном	“ ном

Относительные значения индуктивности

L

= <fli------

ZHOM

(1.131)

Все уравнения электрических машин могут быть записаны в относи
тельных единицах. В относительных единицах удобно выражать парамо
ры, строить векторные и круговые диаграммы, схемы замещения и ре
шать уравнения на ЭВМ. Для одного и того же типа электрических ми
шин параметры в относительных единицах характеризуют геометрию
машины—ее размеры, воздушный зазор и насыщение магнитной системы.

При моделировании уравнений электрических машин на ЭВМ для
изменения масштаба времени используется базовое (относительное) время

г6= —,	(1.132)

“б

где соб — базовая угловая скорость, to6 = а>0 = 2nf0.

Правильный выбор масштабов переменных и применение относи
тельных единиц расширяют возможности ЭВМ.

1.17.	Потери и коэффициент полезного действия

В электрических машинах преобразование энергии из электрической и
механическую и обратно сопровождается преобразованием электрической
или механической энергии в тепло. Энергию, преобразующуюся в электриче-
ских машинах и трансформаторах в тепло, принято называть потерями.
Иогсри в электрических машинах делят на основные и добавочные.
I ч» пивным потерям относят электрические, магнитные и механические.

>псктрические потери, или, как их еще называют, потери в ме-
• мпючают потери в обмотках и потери в щеточных контактах (если в
Мпчн |сть скользящие контакты):

Р3=т12г0,	(1.133)

* / - гок в фазе; г0 — активное сопротивление фазы обмотки при рас-
1смнературе.

I нк же рассчитываются электрические потери в обмотках машин по-
гнанного тока. При этом число фаз принимается равным 1.

>ц**ктрические потери в скользящем контакте зависят от сорта щеток
| w>< । пиния контактных поверхностей. Так как сопротивление щеточного
Цн> >i ia зависит нелинейно от тока, потери определяются по формуле

Рзщ=т&ищ1,	(1.134)

• Л< ’И| — падение напряжения в скользящем контакте.

Для угольных и графитных щеток ДС7Щ = 1 В; для металлографит-
« и и мсталлоугольных щеток ДС7Щ = 0,3 В [7].

Магнитные потери, или потери в стали, включают потери в зуб-
fem, «рмах магнитопровода и полюсах машины, т.е. в основных участках
книгой системы, где замыкается переменный рабочий поток машины.
I м ин гные потери состоят из потерь на вихревые токи и потерь на гисте-

Магнитные потери зависят от марки стали, толщины листов магни-
роаода, индукции и частоты перемагничивания. Значительное влияние
магнитные потери оказывают технологические факторы (штамповка
•в uni, прессовка пакетов, механическая обработка магнитопровода).

11ри определении магнитных потерь пользуются приближенной фор-
М ИН ill

Л.«^Руд(//5О)₽^С7/,	(1.135)

А„П|, - коэффициент обработки, зависящий от обработки стали (для асин-
•1«|||<<ых двигателей, например, 1,4—1,8); руд—удельные потери в стали при
W кис перемагничивания 50 Гц и магнитной индукции 1 Тл, Вт/кг; f— час-
>•1  перемагничивания, Гц; р — показатель степени, зависящий от марки

и, Д — индукция в соответствующей части магнитопровода, Тл; G, —
• । .1 части магнитопровода, где индукция магнитного потока В,.

н габл. 1.4 приведены значения удельных потерь при индукции 1 Тл
til дте перемагничивания 50 Гц и коэффициента р для различных ма-
..иати при толщине листа 0,5 мм.
Таблица 1.4

Марка стали	Руд, Вт/кг	Р
2013,2011,2211	2,5-2,6	1,5"
2312	1,75	1,4
2411	1,6	1,3

Во вращающихся машинах (
трансформаторах процессы ut
ремагничивания стали различи»
В трансформаторах имеет мсчн
пульсационное перемагничиш*
ние, когда неподвижный мант
топровод перемагничивается >4
ременным напряжением. 11|ч

вращении якоря машины постоянного тока относительно полюсов и п(
перемагничивании участков магнитопровода во вращающемся магнитит
поле имеет место вращательное перемагничивание.

При небольших индукциях потери на гистерезис при врашателынч
перемагничивании меньше потерь на гистерезис, при пульсационном на
ремагничивании (они могут отличаться в 2 раза). Однако при индукций
1,5—1,7 Тл потери в стали при обоих видах перемагничив! Ния становя> 
примерно одинаковыми.

Рассматривая отдельные участки магнитной системы при врат
тельном перемагничивании, следует отметить, что существуют участи,
где есть радиальная и тангенциальная составляющие индукции, и можнн
представлять перемагничивание как эллиптическое перемагничивани(
[12]. Эллиптическое перемагничивание называют смешанным, так как ci
можно представить как наложение вращательного и пульсациошнци
црремагничиваний.

При проектировании электрических машин пользуются таблицу
ми удельных потерь, полученных на аппарате Эпштейна при пульп
ционном перемагничивании 1 кг массы листовой стали при частоте V!
Гц и индукции 1 Тл. Удельные потери для различных марок стали
приведены в [7, 12].

Из-за наличия в формулах для определения потерь в стали значигеш in
эмпирических коэффициентов, учитывающих обработку стали, уточнешк
удельных потерь в зависимости от характера перемагничивания отдельны!
участков магнитопровода имеет смысл лишь в особых случаях.

Механические потери включают потери на грение вращл»
щихся частей машины о воздух, потери на трение в подшипниках и i
скользящих контактах, а также потери в вентиляторе, затрачиваемые ш
создание потока охлаждающего воздуха или другого охлаждающего агента

При проектировании электрических машин каждая составляют^
механических потерь рассчитывается отдельно. Приближенно можнп
считать, что механические потери пропорциональны квадрату части in
вращения.

Потери :ia трение зависят от плотности и вязкости среды, в кош-
рой вращается ротор машины. При заполнении машины водородом
108
••«ниичсские потери уменьшаются примерно в 10 раз по сравнению с
• г рями в воздухе. Механические потери растут, если ротор враща-
♦< < и жидкости.

I Пиери на трение в подшипниках и венгиляционные потери в асин-
««ikii.iX двигателях с радиальной системой вентиляции рассчитываются
> формуле

^«^(«/ioooAiod.)3,	(1.136)

I» й,(.  5 при 2р = 2;	= 6 при 2р > 4; £>а — диаметр ротора, м.

11игсри на трение щеток о контактные кольца

Лр.и=^.иРЛ^,	(1.137)

•* *ifnu — коэффициент трения щеток о контактные кольца (обычно
ч снимается равным 0,1—0,2); р — давление на контактной поверхности

Па; Slu — площадь контактной поверхности щеток, м2; vK — ли-
• вини скорость поверхности контактных колец, м/с.

Потери на охлаждение машины (вентиляционные потери) опреде-
М»н< и мощностью, которая расходуется на цирку,1япию теплоносителя в
Мминне. Она зависит от количества воздуха, водорода или жидкости, от-
лящих тепло из машины, и от КПД вентиляторов или насосов.

Добавочные потери делят на добавочные потери при холостом
** •' при нагрузке. К добавочным потерям при холостом ходе относятся
•~»./|> ногтяные и пульсационные потери.

Поверхностные потери возникают в поверхностном слое зуб-
»‘ или полюсов из-за пульсаций поля в воздушном зазоре. Частота пуль-
ЦинН индукции определяется числом зубцов и частотой вращения
л

/	. где z — число зубцов на статоре, если определяются поверхно-

• потери в роторе, или число пазов на роторе, если определяются
В»»^1»<иостные потери в статоре.

Пульсационные потери — это потери в стали за счет пульса-
I» иогока в зубцах статора или ротора. Пульсационные потери зависят
н индукции в зубцах и частоты пульсаций. Частота пульсаций в зубцах
• hi при определяется числом зубцов ротора, а частота пульсаций в зубцах
рпирй определяется числом зубцов статора.

Добавочные потери при нагрузке возникают в обмотках и магнито-
н|и|| ь дс из-за потоков рассеяния и искажения поля в воздушном зазоре
н пшрузке.

Спечет добавочных потерь производится для крупных электриче-
••мм машин. Для машин общепромышленных серий добавочные по-
••|’Ч4 согласно ГОСТ, принимаются равными 0,5—1% номинальной
«НИ1НОСТИ [7].
Коэффициент полезно^
действия электрических машин
генераторов



4 = 100 1-

A+ZP.

; d-131

двигателей

Г

4 = 100 1-^—

(1-1 ’’»l

где Pi — мощность, подводи
мая к двигателю; Р2 — полезна»

мощность, отдаваемая генератором; — сумма потерь в машине.

На рис. 1.90 дана зависимость КПД от полезной мощности Р2, выри

женной в относительных единицах. Зависимость 4 = /(Р2) при напряже

нии сети Uc = const объясняется тем, что с ростом нагрузки полезна»
мощность растет пропорционально току, а потери электрические расту i
пропорционально квадрату тока. Коэффициент полезного действия имел
максимум, когда постоянные потери равны потерям переменным. К пн
стоянным потерям относятся потери, не зависящие от нагрузки. Это но
тери магнитные и механические (для машин, у которых частота вращения
не зависит или мало зависит от нагрузки). Переменные потери — это

электрические потери, которые пропорциональны квадрату тока нагрузки.

При расчете электрических машин максимум КПД стремятся полу-
чить при 0,6—0,8 номинальной нагрузки, так как электрические машины
длительно работают с недогрузкой 15—25%. Чтобы сдвинуть максимум

КПД в область номинальной нагрузки или в область перегрузок, надо
увеличить сечение обмотки и снизить электрические потери в машине.

Коэффициент полезного действия зависит от мощности машины. II

турбогенераторе мощностью 800 МВт 4 = 98,8%. Однако в микромаш и
нах КПД может быть 10—20%. В трансформаторах предельной мощно
сти 4 = 99,7%. Таких высоких КПД не имеют другие преобразователи
энергии.

1.18. Нагрев и охлаждение электрических машин

Электромеханическое преобразование энергии в электрических ма
шинах сопровождается выделением тепла в активных частях машины
Если тепло не будет отводиться от машины, то температура изоляции
•  f|n> достигнет допусти-
• • диг данного класса изо-
и дальнейшая работа
№рической машины при-
м 1.1 к ускоренному старе-
мн». н ки1яции и сокращению
Ьн службы. Для отвода
• Mi in машины предусмат-
 । v j* система охлаждения.

( ис гемы	охлаждения

«лирических машин весьма
*щ<м>6разны (рис. 1.91). Раз-
 мни машины с естест-
мнчым и искусственным
и. < тением. В зависимости
«• ичо, какое вещество при-
| нчсгся в качестве охлаж-
««•шсго агента, машины
 (ня на машины с воз-
шцн1ым, водородным, мас-
чныи и водяным охлажде-
।1 В зависимости от спо-

Рис. 1.91. Системы охлаждения электричес-

ких машин

охлаждения различают машины с косвенным охлаждением, когда газ
и жидкость непосредственно не соприкасается с проводником, и маши-
pl с непосредственным внутренним охлаждением, когда газ или жид-
ки и* проходит внутри проводников.

В специальных машинах применяется испарительная система охлаж-
•> ин i когда жидкость испаряется с тепловыделяющих поверхностей ма-
нны.

О г правильного выбора системы охлаждения зависят габариты и
и in машины. За последние 40 лет удалось, практически, в тех же габа-
ГН1ЛХ в результате перехода с воздушного на внутреннее водяное охлаж-
*|<не повысить мощность турбогенераторов в 10 раз. Это одно из вы-
шихся технических достижений XX века. Снижение массы на едини-
i|> мощности имело место и в электрических машинах других типов.

Па рис. 1.91, а показана схема вентиляции закрытой обдуваемой ма-
нны с самовентиляцией. Вентилятор / укреплен на валу машины. На
н. 1.91, б представлена схема продуваемой машины с самовентиляцией.
и никами вентилятора являются приливы на короткозамыкающих коль-
  ротора 1. На рис. 1.91, в дана схема машины с разомкнутой нагнета-
я|.пой независимой системой вентиляции с забором воздуха и выбросом
• о по трубопроводу 2. Забор воздуха из окружающего пространства
осуществляется вентилятором, который вращается двигателем, специаю.
но предназначенным осуществлять движение воздуха внутри машины или
снаружи ее. Машина с замкнутой независимой системой вентиляции по
казана на рис. 1.91, г. Здесь воздух или водород охлаждается в газоохлп
дителе 3. Обычно в газоохладитель подается водопроводная вода, цирку
пирующая по трубкам газоохладителя, и, таким образом, происходит ох
лаждение воздуха или водорода.

На рис. 1.91 показаны лишь основные системы охлаждения. В cooi
ветствующих главах книги будут рассмотрены подробнее вопросы нагрс
ва и охлаждения трансформаторов, синхронных машин и других машин.

Процесс передачи тепла от различных частей машины в окружаю
щую среду подчиняется законам теплообмена — учения о самопроит
вольных необратимых процессах распространения тепла в пространстве.

Под процессом распространения тепла понимается обмен внутреп
ней энергией между отдельными элементами, областями рассматривав
мой среды. Перенос тепла осуществляется тремя основными способами
теплопроводностью, конвекцией и излучением.

Теплопроводностью называется перенос тепла при непо
средственном соприкосновении тел или частей тела с различной темпера
турой.

Явление конвекции наблюдается в движущихся жидкостях и га-
зах. Перенос тепла при этом осуществляется за счет перемещения макро
объемов среды в пространстве.

Тепловым излучением называется явление переноса тепла и
виде электромагнитных волн с двойным взаимным превращением энер-
гии — тепловой энергии в энергию излучения и обратно.

В действительности элементарные виды теплообмена в чистом виде
встречаются редко. Как правило, один вид теплообмена сопровождается
другим. Так, конвекция тепла всегда сопровождается теплопроводностью
Совместный процесс переноса тепла конвекцией и теплопроводностью
называется конвективным теплообменом.

Часто встречается случай конвективного теплообмена между пото-
ком охлаждающей среды и поверхностью твердого тела. Этот процесс
называют конвективной теплоотдачей.

Случай теплообмена между различными средами, разделенными
твердой стенкой, принято называть теплопередачей.

В основе описания процесса теплопроводности лежит так называе
мый закон Фурье, согласно которому количество переданного тепла про-
порционально падению температуры, времени и площади сечения,
перепендикулярного направлению распространения тепла:

g = -Xgrack,	(1.140)
। <i — вектор плотности теплового потока, Вт/м2; grad/ — градиент
•ыпсратурь.; X — коэффициент теплопроводности.

Знак минус отражает то обстоятельство, что тепло всегда распро-
»|рпняется в сторону убывания температуры.

Полное количество тепла Q, переданного через поверхность F за
in мя т, есть

Q = - j jXgrad/dFJT .	(1-141)

OF

Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м • °C), является физическим
рметром вещества и характеризует его способность проводить тепло,
«личные вещества имеют различные коэффициенты теплопроводности.
| ) правило, металлы хорошо проводят тепло, значения их коэффициен-
И теплопроводности много больше значений коэффициентов теплопро-
мшости электрических изоляторов. В табл. 1.5 приведены коэффициен-
гсплопроводности ряда используемых в электромашиностроении ма-
ргалов.

Таблица 1.5

Материал	Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м°С)
Серебро	420
Медь	380
Алюминий	220
Электротехническая сталь (вдоль	48—20
слоя)	
Электротехническая сталь (поперек	3,1—1,2
слоя)	
Стекло	1,1
Миканит	0,2
Лакоткань	0,15
Изоляция пазовая	0,1
Вода при 40 °C	0,633
Водород при 40 °C	0,19
Трансформаторное масло при 40 °C	0,164

Процесс теплообмена между поверхностью тела и средой относится к
I ипжнык, физическим процессам и зависит от большого количества факторов.

Для его описания используется эмпирический закон Ньютона—Рих-
млпп, согласно которому плотность теплового потока на поверхности
i«j «а пропорциональна разности температур почерхности и хладагента:
4 = a(tc-tm'),

где tc — температура поверхности тела; tm — температура хлада! ci
(жидкости или газа); а — коэффициент пропорциональности, назы
мый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м2 • °C).

Процесс теплоотдачи в основном определяется условиями движп
среды. Можно выделить два режима течения: ламинарный и турбула
ный. При ламинарном режиме течение имеет спокойный, струйчатый
рактер, при турбулентном движение неупорядоченное, вихревое. Измг

ние режима течения происходит при
конкретной для каждого случая.

некоторой

критической

CKOpOl 1

Режим течения определяется не только скоростью, а особым бе i|i
мерным комплексом, называемым числом Рейнольдса:

_ vl

Re = —

(111

v

где v — скорость движения хладагента; v — кинематический коэффии
ент вязкости хладагента; I — характерный размер обтекаемого тела и
канала, в котором движется хладагент.

По природе возникновения различают два вида движения хладагси
— свободное и вынужденное. Свободным называется движение, прои
ходящее вследствие разности плотностей нагретых и холодных част
жидкостей или газов в гравитационном поле. Свободное движение naw
вают также естественной конвекцией. Вынужденным называется дви<
ние, возникающее под действием внешних источников, например веш
лятора, насоса и пр. Наряду с вынужденным движением может сущее iw
вать и развиваться свободное. Его роль возрастает с ростом разноси
температур в отдельных точках охлаждающей среды и с уменьшение
скорости вынужденного движения.

Дифференциальное уравнение теплопроводности, связывающее н|»
менные и пространственные изменения температуры в любой точке тон
при передаче тепла теплопроводностью, можно представит ь в виде

— = aV2r+-^.	(1.145)

дх	ср

V72 д2	дг	82

где V =——+——+—------------оператор Лапласа в декартовой системе хи

дх	ду	dz

ординат; qv — плотность теплового потока внутренних источников тени»
(предполагается равномерно распределенным и постоянным во времен и I,
X.

Вт/м3; с — теплоемкость тела, Дж/м3; р — плотность тела, кг/м3; a - —
ср
коэффициент температуропроводности, физический параметр тела, hhoi
114
| м м ншемый коэффициентом термической диффузии, м2/с; этот коэф-
• • ш характеризует скорость изменения температуры в теле.

I  ни тело не содержит внутренних источников тепла, уравнение
НМ приобретает вид уравнения Фурье:

— = aV2z.	(1.146)

дт

11 in имеются внутренние источники тепла, то процесс стационарен
-и- ри гура во времени не меняется) и (1.146) превращается в уравнение
Hpvonu:

V2z+^ = 0,	(1.147)

X

1111копец, для стационарной теплопроводности и отсутствия внутренних
• Шиков тепла выражение (1.147) принимает вид уравнения Лапласа:

V2z = 0.	(1.148)

Чип того чтобы найти частные решения уравнений (1.145)—(1.148),
||а1*гк тующие конкретным случаям, необходимо сформулировать ус-
- н • однозначности.

•ш условия включают в себя геометрические условия, характери-
|*Mtiit форму и размеры тела, физические условия, определяемые зна-
. нн>мц внутренних источников тепла, начальные условия — закон рас-
*•< пения температуры в начальный момент времени — и, наконец,
минчпые условия. Последние мотут быть заданы несколькими способа-
ми Нппоолее типичными являются способ, при котором задается распре-
B*Mi№ температуры на поверхности тела для каждого момента времени
Н|мШ1Г111ые условия первого рода) и способ, при котором задается темпе-
if» цы хладагента Zm, а также закон теплообмена между поверхностью
»<• и средой (граничные условия третьего рода). Форма записи гранич-

У» новий третьего рода может быть получена из (1.145) и (1.148):

(1.149)

\onjc A.

/ Oz \

 I — градиент температуры на поверхности тела.

Н установившихся в тепловом отношении режимах количество теп-
В Выявляющегося в его объеме или поступающего извне, равно количе-

тепла, отдаваемого телом во внешнюю среду. Внутренняя энергия
> •« in гается неизменной, и температура в любой точке тела не меняется
 «ргмсни. В стационарном режиме тело находится в тепловом равнове-
М । охлаждающей средой.
Для случая стационарного режима при отсутствии внутренних и
точников тепла в плоском теле решение уравнения (1.149) приводи!
линейному распределению температуры по толщине тела. Количо и
тепла, переданного через тело в единицу времени:

для граничных условий первого рода

Q = ^tcl~tc2)F,
О

(II

для граничных условий третьего рода, при которых задаются теми
ратура среды tm и коэффициент теплоот'дачи от поверхности тела а,

Q = k(tel-tm)F,	(1.15|

здесь к — коэффициент теплопередачи, характеризующий эффективна i
совместной передачи тепла через тело теплопроводностью и от тела
среде конвекцией:

*=-ГТ-	1 <1IS

X а

Уравнения (1.150) и (1.151) по форме аналогичны уравнениям закш
Ома для электрической цепи. Можно записать их в виде

Q = ^^-F,	(1.15-

п 5

где = — —термическое сопротивление теплопроводности тела,
А

п 8 1 „ „

R =—+— = RX+Ra — термическое сопротивление теплопередачи чер

л ОС

тело, состоящее из термического сопротивления теплопроводности /?(1

Рис. 1.92. Распределение темпе-
ратуры в полом цилиндре

термического сопротивления теплоо
дачи Ra = --.

а

Распределение температуры в т
лах цилиндрической формы описывас
ся логарифмической кривой (рис. 1.9П
и количество тепла, переданного чер<
цилиндрическую стенку на единицу <
длины, может быть найдено при уче,
F = 2nrl (/ —длина тела) из выражена
Qi — « j Oci fc2) >

—hA

2X dx

•и iiiim граничных условий третьего рода

Ql — ^!^с\

к‘ ~ 1 . d2	1

—1п~+----

2% dl ad2

(1.155)

(1.156)

(1.157)

•инейный коэффициент теплопередачи, Вт/(м • °C).

Величина, обратная линейному коэффициенту теплопередачи, назы-

•* ,i я линейным термическим сопротивлением теплопередачи:

п	1	1 ,	d2 1	„	„

Л = — — —In---1----— Rn + Ri„ 

1	к,	2X	dx	ad2

(1.158)

Составляющие полного термического сопротивления представляют
»Й термическое сопротивление теплопроводности через цилиндриче-
«>ю стенку Rix и термическое сопротивление теплоотдачи от цилиндри-
1* ной стенки Rta.

I In практике часто встречаются цилиндры, толщина стенок которых
•• ш по сравнению с диаметром. В этом случае можно рассчитывать тер-
d2 _

кьчсские сопротивления как для плоского тела. При — < 2 погрешность

4

• превышает 4%.

11ри наличии внутренних тепловых источников с плотностью теплового
•Homi qv решение уравнений теплопроводное™ приводят к нелинейному
•дврпболическому) распределению температуры по толщине плоского тела.

В расчетах часто бывает более удобным вместо тела, в котором
(щменние источники тепла рассредоточены по объему, рассматривать
•*<»>орое эквивалентное тело, в котором все тепло выделяется на одной
•t ri о поверхностей, а изменение температуры происходит по линейному
(Мону. При этом при равенстве тепловых потоков в реальном и эквива-
«йнном телах необходимо выбрать параметры эквивалентного тела та-
»цм образом, чтобы максимальное или среднее значение его температуры

'•♦'io равным соответствующему значению реального тела.

Для плоского тела толщиной 8 при равенстве максимальных темпе-



! р толщина эквивалентного тела

8

= —, а при равенстве средних

••мпсратур 8ЭЮ = —.
Рис. 1.93. Кривая нагрева тела (а) и охлаждения (б)

IT 2Т ЗТ t
б)

YT 2Т ЗТ t
а)

В неустановившн
режимах отсутствует i
ловое равновесие мс
телом и окружающей ц
дой, температура в точ

тела и его внутренняя тщ ।
гия меняются во врем<ч
Такие режимы принято ।
зывать нестационарны

(1.1



Нестационарность тепловых процессов всегда связана с явлениями н;н ।
ва или охлаждения тела. На рис. 1.93, а представлена зависимость теми
ратуры тела от времени

0-©уст(1-е-'/г),

W ©уст

— установившаяся температура; Т — постоянная времени

гревания тела.

)

Кривая охлаждения тела дана на рис. 1.93, б.

Изменение температуры во времени рассчитывается в электрически
машинах, предназначенных для кратковременных и повторно-кратков|
менных режимов работы. В машинах, предназначенных для длительны i
режима, рассчитываются установившиеся температуры. Установившие
температуры обычно рассчитываются по схеме тепловых цепей машиш
состоящей из источников тепла и термических сопротивлений, по кшч
рым как бы передаются тепловые потоки от нагретых частей машины >
охлаждающей среде.

Тепловые схемы электрической машины составляются по аналогии
электрическими схемами. Температура в тепловых схемах играет рол
напряжения в электрических схемах, а термическое сопротивление игран
роль активного сопротивления. Обычно тепловая схема состоит из не
скольких источников и сопротивлений.

На рис. 1,94 приведена упрощенная тепловая схема замещения сы

тора машины переменного тока. В
основу схемы легло условие, со-
гласно которому источниками теп-
ла являются однородные в тепло-
вом отношении части машины: об-
мотка и стальной сердечник стато-
ра. Мощности источников тепла в
них равны электрическим потерям в
обмотке Ро6 и потерям в стали Р„.

Тепловые потоки направлены:

боб

Рис. 1.94. Упрощенная тепловая схеме
замещения статора машин переменно
го тока
 •смотки к стали сердечника Q„ через термическое сопротивление па-
«•*!< *• 'оляции 7?из; от обмотки к охлаждающей среде через термическое
1><|>>шление изоляции обмотки и сопротивление теплоотдачи от по-
•«|>«||ОГ1 и обмотки	от поверхности стального сердечника в окру-

• — дую среду Q„ через термическое сопротивление 7?ст.

1|шя потери и значения термических сопротивлений, нетрудно опре-
< <«1г шачения тепловых потоков и средних температур частей статора
н ®ст, равных соответствующим превышениям температур, если
ня 11, температуру окружающей среды	=0 (рис. 1.94).

Очевидно, что чем большее число конструктивных частей машины
>••> । быть выделено в качестве однородных в тепловом отношении тел
•мгнено эквивалентными элементами тепловой схемы замещения, тем
•»и> с окажутся результаты расчета.

(Вобы отвести тепло из машины, необходимо определить расход ох-
••||П1ощей среды Q. При гидравлическом расчете определяются напор и
> » ) ь охлаждающей среды в отдельных каналах, где проходит охлаж-
среда. Далее рассчитываются напорные элементы вентиляторов
I нш осов, обеспечивающих необходимый расход, и скорости охлаж-
**й среды, а также мощность, необходимая для работы вентилятора
другого напорного устройства, обеспечивающего циркуляцию охла-
•ииицей среды.

Таблица 1.6

Охлаждающий агент	Дж/(м3-°С)	•у, кг/м3
Воздух (0 °C, 105 Па)	1,1-103	1,3
Водоэод (0 °C, 105 Па)	1,1-Ю3	0,09
Трансформаторное масло при 15 °C	1,5-10*	850
Вода при 15 °C	4,1-10®	999

iii-тема вентиляции во многом определяется свойствами охлаж-
кицсй среды — объемной удельной теплоемкостью с„ и плотностью у.
I »«бл. 1.6 приведены значения cv и у веществ, используемых в электро-
•чшюстроенг а качестве охлаждающих агентов.

1.19. Материалы, применяемые
в электромашиностроении

В электрических машинах энергия магнитного поля сосредоточена в
юпном в воздушном зазоре. Чтобы сконцентрировать энергию в воз-
ипюм зазоре, необходимо иметь магнитопровод и обмотки, которые
вместе с конструкционными материалами обеспечивают распредели
электромагнитных, тепловых и механических полей в машине.

Принято материалы, применяемые в электрических машинах, дем
на активные и конструктивные. К активным относятся материалы оПц
ток и магнитопровода, а к конструктивным — изоляционные и мак ,*
лы, из которых выполняются станины, щиты, валы и другие части н
трической машины. Это деление условно, так как во многих мании
совмещены активные и конструкционные функции отдельных частей i
шины. Примером может служить машина постоянного тока, в ko i и*
магнитный поток замыкается по станине.

Для изготовления магнитопроводов электрических машин прими
ются листовая электротехническая сталь, стальное литье, чугун и мац
тодиэлектрики.

Тонколистовая электротехническая сталь по ГОСТ разделяется ни
марок и изготовляется в виде рулонов, листов и резаной ленты. Обои
чения марок стали состоят из четырех цифр. Первая обозначает клан
структурному состоянию и виду прокатки; вторая — содержание крл
ния; третья — группу по основной нормируемой характеристике. Ц
первые цифры в обозначении марки — тип стали, а четвертая — nopi
ковый номер типа стали.

Сталь подразделяют по структурному состоянию и виду прокатки
три класса: горячекатаную изотропную, холоднокатаную изотроши
холоднокатаную анизотропную с ребровой текстурой.

По содержанию кремния сталь подразделяют на шесть групп: О
содержанием кремния до 0,4% включительно (нелегированная), 1
содержанием кремния от 0,4 до 0,8%, 2 — с содержанием кремния cdi.ii
0,8 до 1,8% включительно, 3 — свыше 1,8 до 2,8% включительно, 4
свыше 2,8 до 3,8%, 5 — свыше 3,8 до 4,8% включительно.

По основной нормируемой характеристике стали делятся на in
групп: 0 — удельные потери при магнитной индукции 1,7 Тл и частоте
Гц (Риде), 1 — удельные потери при магнитной индукции 1,5 Тл и чаи
те 50 Гц (Р1,5/5о)> 2 — удельные потери при магнитной индукции 1,0 Гл
частоте 400 Гц (pi,o/4oo), 6 — магнитная индукция в слабых магнипн
полях при напряженности поля 0,4 А/м (Вол), 7 — магнитная индукцн»
средних магнитных полях при напряженности поля 10 А/м (В10).

Свойства стали зависят от содержания кремния и от условий и н
товления. Сталь с низким содержанием кремния имеет меньшую магии
ную проницаемость и большие магнитные потери, а также большое мш
нитное насыщение. Стали с высоким содержанием кремния имеют мещ
шие потери на вихревые токи и гистерезис и высокую магнитную про»
цаемость в слабых и средних полях. Присадка кремнием снижает гик
ность и повышает удельное сопротивление стали. Для стали с содержаи
120
• •|*м!1ия 0,8—1,8% плотность 7,8 т/м3, удельное сопротивление
и |п * Омм. Для стали с содержанием кремния 3,8—4,8% плотность
11 |/м\ удельное сопротивление 0,5-10-6 Ом • м.

Н • 1ектротехнической промышленности широко применяются ани-
«•^иныс холоднокатаные стали, имеющие в направлении проката более
|Внуи> проницаемость и меньшие потери в слабых полях, чем горяче-
стали. Выпускаются изотропные — холоднокатаные — стали с
цй< кой текстурой, имеющие высокие магнитные качества как в на-
г ини проката, так и в перпендикулярном прокатке направлении [12].
I «ричскатаная изотропная тонколистовая электротехническая сталь
<к|и«лясгся в виде листов по ГОСТ 21427.3-75 следующих марок: 1211,
ill I '13, 1311, 1312, 1313, 1411, 1412, 1413, 1511, 1512, 1513, 1514,
 I. I4»J, 1562,1571 и 1572.

По точности прокатки, по толщине сталь подразделяют на сталь
книгой (Н) и повышенной (П) точности.

Ио псплоскостности сталь делится на классы 1 и 2. Листы должны
•Н» и носкими. Неплоскостность не должна превышать: для листов клас-
11	6 мм на 1 м длины, для листов класса 2 — 12 мм на 1 м длины.

II । электротехнические заводы листы поставляются в термически
EvitiiiHOM состоянии. По состоянию поверхности сталь выпускается с
•оий (Т) и с нетравленой (НТ) поверхностями. Поверхность листов
ы быть гладкой, без следов коррозии, отслаивающейся окалины,
• i порошкообразных веществ, препятствующих нанесению изоляции.

Пример условного обозначения листа толщиной 0,50 мм, шириной
ПЛ мм, длиной 2000 мм, повышенной точности прокатки П, класса не-
ик<к гности 2 с травленой поверхностью Т, из стали марки 1512: лист
1(Ю0х2000-П-2-Т-1512 [12].

Пн электротехническую холоднокатаную анизотропную тонколисто-
мв i irou>, изготовляемую в виде рулонов, листов и резаной ленты, рас-
РМ читается ГОСТ 21427.1-83. Эта сталь выпускается следующих ма-
H. НИ, 3412, 3413,3414, 3415, 3416, 3404, 3405 и 3406.

11о видам продукции холоднокатаная сталь подразделяется на лист,
и *<н, ленту резаную. По точности прокатки и неплоскостности она де-
1пк же, как горячекатаная. По виду покрытия: с электроизоляцион-
<м пшревостойким покрытием ЭТ; с покрытием, не ухудшающим
«Нйпусмость, М (мягкое); без электроизоляционного покрытия БП; по
< ффициенту заполнения стали с покрытием — на группы А и Б. Рулон-
Bl г гиль изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35 и 0,50 мм и шириной
1Ш, МбО и 1000 мм.

1‘ианую ленту изготовляют толщиной 0,28; 0,30; 0,35; 0,50 мм, ши-
.... 170, 180, 190, 200, 240, 250, 300, 325, 360, 400, 465 и 500 мм. Пре-
•4Н1ЫС отклонения по толщине стали, по ширине рулонов и ленты, не-
121
плоскостность оговариваются ГОСТ. Сталь поставляется в термичсн
обработанном состоянии. Сталь толщиной 0,28; 0,30 и 0,35 мм изгоя
ляют с электроизоляционным нагревостойким покрытием, а сталь толп,
ной 0,50 мм — без электроизоляционного нагревостойкого покрытия и
с покрытием, не ухудшающим штампуемость.

ГОСТ 21427.2-83 распространяется на тонколистовую холодною!
ную изотропную электротехническую сталь. Эта сталь, выпускаемп»
виде рулонов, листов и резаной ленты, имеет следующие марки: 201
2012, 2013, 2111, 2112, 2211, 2212, 2311, 2312, 2411 и 2412. По точи-
прокатки, по неплоскостности, по коэффициенту заполнения подразл
ния те же, что и у анизотропной стали. По типу покрытия эти стали *
пускаются с нагревостойким электроизоляционным покрытием (Э11
нетермостойким (Э) и без покрытия (БП).

Изотропную рулонную сталь изготовляют толщиной 0,35; 0,50; 0.
мм и шириной 500, 530, 600, 670,750, 860 и 1000 мм.	»,

Магнитные свойства сталей приведены в пособиях по проектир»
нию электрических машин [7,12,14].

Магнитодиэлектрики — материалы, имеющие высокие магнигп
свойства и высокое электрическое сопротивление, — находят применен
для изготовления магнитопроводов.

Для уменьшения потерь от вихревых токов листы стали изолирую!
лаком или оксидируются. Уменьшение активного сечения пакетов за сч
изоляции между листами учитывается при помощи коэффициента заш
нения пакета сталью к„. Значение к„ зависит от толщины листов, ро
изоляции между листами, а также от длины пакета и усилий при пресс
ке. Обычно к„ « 0,98-5-0,88.

Листовая сталь марки 1211 толщиной 0,5 или 1 мм применяется л
изготовления главных полюсов машин постоянного тока. Для полю
синхронных машин применяется сталь толщиной 1—2 мм и более. 'I
дает улучшение к„, который достигает 0,95—0,98.

Листовая сталь используется для сварных станин машин постоян»
тока и изготовления ободов роторов синхронных машин. Толщина лиг
вой стали колеблется от 1,5 до 120 мм. Магнитные свойства такие же, •
и у литой стали. Кованые стали находят применение при изготов: ен
роторов синхронных машин и добавочных полюсов машин постояшь
тока. Чугун в последнее время в электромашиностроении применяв!
все реже из-за плохих магнитных свойств.

К проводниковым материалам, применяемым в электромашю
строении, относятся медь и алюминий. Хотя серебро имеет на <
меньшее удельное сопротивление по сравнению с медью, оно от»
сится к дефицитным материалам и практически не применяется п
изготовлении электрических машин.
Проводниковую медь получают из слитков путем гальванической
ш и в электролитических ваннах. Даже ничтожное количество при-
н резко снижает электрическую проводимость меди. Почти все изде-
Ш иг меди для электротехнической промышленности изготовляются
И проката, прессовки и волочения. Волочением получаются провода
| гром до 0,005 мм, ленты толщиной до 0,1 мм и фольга толщиной до
• «И мм. При механических деформациях медь подвергается наклепу,
•рый устраняется при термообработке.

IN изготовления коллекторов машин постоянного тока применяется
тянутая медь с присадкой кадмия. Кадмий увеличивает механиче-
й прочность меди и благоприятно сказывается на качестве пленки на
I рмюсти пластин, улучшая коммутацию.

Хорошая электрическая проводимость обеспечивает широкое при-
«ми>Ц]|. алюминия в электротехнической промышленности. Важными
иН1< । ими алюминия являются его малая плотность, низкая температура

<> -№1П1Я, высокая пластичность, прочная и очень тонкая пленка окиси,
.. гпощая алюминий от коррозии. Алюминий хорошо обрабатывается

Пием, и из него получаются листы, проволока, тончайшая фольга и
пганные детали. Плотность алюминия в 3,3 раза ниже, чем меди, а
«•мыте сопротивление лишь в 1,7 раза выше, чем меди. Сравнение
И nt меди и алюминия дано в табл. 1.7.

Таблица 1.7

•Иатериал	Плотность, т/м3	Удельное сопротивление при 20 °C, 10-6 Ом-м	Температур- ный коэффи- циент линей- ного расшире- ния, 10“® °C-1	Теплопро- водность, Вт/(м°С)
'•>«к   ► цютехническ! я)	8,9	0,01724	16,42	375—380
МИНИН  ннчллий)	2,6—2,7	0,028	24	205

л пюминисвые провода изготовляются из алюминия марки АЕ,
•«ицего в своем составе 99,5% чистого алюминия и 0,5% примесей
•ч|. и кремния. Для литейных сплавов наиболее употребительны спла-
• АЛ2 и АЛ9. Для заливки роторов асинхронных. Машин применяются
vimii.1 АКЗ, АКМ, АКЦ с повышенным сопротивлением.

I Сплавы меди с цинком называются латунями, а сплавы меди с оло-
цм, кадмием, бериллием и фосфором — бронзами. Латуни и бронзы
нм«1няю1ся для изговления короткозамкнутых обмоток роторов асин-
)<ш111ых двигателей и демпферных обмоток синхронных машин. Латунь
и бронза хорошо обрабатываются, имеют малую усадку и применяют
для изготовления токоведущих деталей сложной формы.

В целях экономии меди контактные кольца асинхронных машин
фазным ротором выполняются из стали. Из стали выполняются и роторы
специальных асинхронных двигателей. Но двигатели с массивным рою
ром применяются редко. В этом случае имеет место совмещение маппн
ных и проводниковых функций материала. В настоящее время ведун i
работы по внедрению стальных магнитных и немагнитных проводов.

Медные и алюминиевые обмоточные провода выпускаются круглым
и прямоугольных сечений. Изоляция проводов определяет принадлсж
ность проводов к тому или иному классу нагревостойкости.

Круглые медные эмалированные провода широко применяются ,»
электромашиностроении. Они имеют небольшую толщину изоляции - в
1,5—-2,5 раза меньшую, чем у проводов с покрытием эмалью и хлопчаю
бумажной или шелковой тканью. Это повышает теплопроводность и
улучшает коэффициент заполнения паза. Основными типами высоки
прочных эмалированных проводов являются поливинилацеталевые про
вода ПЭВ-1 и ПЭВ-2 и провода повышенной нагревостойкости ПЭТВ на
полиэфирных лаках. Основные данные медных и алюминиевых эмалиро
ванных проводов приведены в [7,14]

Алюминиевые эмалированные провода изготовляются диаметром
0,08—0,41 мм с неотоженной (марки ПЭВАТ) и с отожженной (марки
ПЭВА) алюминиевой проволокой. Эти провода относятся к классу Л
Провода ПЭТВ принадлежат к классу нагревостойкости В.

К обмоточным проводам высокой нагревостойости относятся прово
да марок ПНСДК и ПНСДКТ. В зависимости от температуры срок служ
бы этих проводов изменяется. Так, при 250 °C срок службы равен 15
20 000 ч, а при 400 °C он снижается до 200—500 ч.

Провода со стекловолокнистой изоляцией марки ПОЖ могут дли
тельно эксплуатироваться при 300 °C. Выпускаются провода ПЭЖБ-700 (
биметаллической жилой серебро—никель для длительной эксплуатации
при 500 °C.

При температурах, близких к абсолютному нулю, медь и алюминий
становятся плохими проводниками. При этих температурах применяются
сплавы ниобия с титаном и др.

Электроизоляционные материалы или диэлектрики применяются и
электромашиностроении для изоляции частей электрической машины,
находящихся под разными потенциалами.

Толщина межвитковой и пазовой изоляции во многом определяс!
массогабаритные показатели электрических машин. Нагревостойкость и
теплопроводность изоляции определяют допустимые температуры частей
машины и выбор электромагнитных нагрузок. Изоляция должна облада 11.
ОвАходимыми механическими свойствами и обеспечивать механизацию
• ккюматизацию технологических процессов изготовления.

Срок службы электрической машины в нормальных условиях ра-
toiu должен быть 15—20 лет, что определяется, главным образом,
। оком службы изоляции. При нагреве изоляции имеют место процес-
<м, приводящие к старению изоляции, — потери изолирующих свойств и
#»*пнической прочности. Установлено, что превышение температуры
примерно на 10 °C над допустимой снижает срок службы электричес-
•<>h машины вдвое.

В основу классификации изоляции положена нагревостойкость —
• пш обность электроизоляционного материала выполнять свои функции
•цн< воздействии рабочей температуры в течение времени, сравнимого с
•пчетным сроком нормальной эксплуатации.

Согласно ГОСТу, электроизоляционные материалы, применяемые в
♦«и ► громашиностроении, делятся на семь классов нагревостойкости.
Массы изоляции материалов отличаются допустимой температурой в
.мом нагретом месте изоляции при номинальном режиме.

К классу изоляции Y (90 °C) относятся текстильные материалы на
|« нове хлопка, натурального шелка, регионированной целлюлозы, аце-
। н >1 целлюлозы и полиамидов. К этому классу относятся также целлюлоз-
ные электроизоляционные бумаги, картоны и фибра, древесина, пласти-
i кие массы с органическими наполнителями.

Класс изоляции А (105 °C) включает: материалы класса Y, если они
пропитаны изоляционным составом или погружены в жидкие диэлектри-
ки 11ри производстве машин материалы класса А могут пропитываться
•ни покрываться лаками на основе натуральных смол, эфир-целлюлоз-
йыми лаками и термопластичными компаундами.

В класс изоляции Е (120 °C) входят пленки и волокна из полиэтилен-
Ц’рсфталата, материалы на основе электрического картона и полиэтилен-
||’|1сфталатной пленки, стеклолакоткани и лакоткани на основе полиэти-
•u-игерефталатных волокон, термореактивные синтетические смолы и
компаунды (эпоксидные, полиэфирные, полиуретановые).

К классу изоляции В (130 °C) относятся: материалы на основе щипа-
но(1 слюды, слюдопластов и слюдинитов, включая материалы с бумажной
н lit тканевой органической подложкой; стеклоткани и стеклолакочулки;
-и (кетовые волокнистые материалы; изоляция эмалированных проводов;
|о|йСТмассы с неорганическим наполнителем; слоистые пластики на осно-
М сгскловолокнистых и асбестовых материалов; термореактивные синте-
иРгеские компаунды; асбоцемент.

Класс нагревостойкости F (155 °C) включает материалы на основе
щипаной слюды, слюдинитов и слюдопластов без подложки или с неор-
(инической подложкой, стекловолокнистую и асбестовую изоляцию про-
кодов, стеклоткани и стеклолакочулки, слоистые пластики на осном
стекловолокнистых и асбестовых материалов.

К классу Н (180 °C) относятся материалы на основе щипаной слюды
без подложки или с неорганической подложкой, стекловолокнистая ад
ляция проводов, стеклолакоткани и стеклолакочулки, слоистые пластин
на основе стекловолокнистых и асбестовых материалов, пластически-
массы с неорганическим наполнителем, асбоцемент, кремнийорганичг
ские эластомеры, асбестовая пряжа, бумага и ткани.

К классу нагревостойкости С (более 180 °C) относятся слюда, стеюш
бесщелочное и стекловолокнистые материалы, электротехническая кери
мика, кварц, асбоцемент, шифер электротехнический, материалы ю
щипаной слюды без подложки или со стекловолокнистой подложкой, ми
калеке, политетрафторэтилен, полиамиды.

Приведенная выше классификация электроизоляционных материален
не исчерпывает всего многообразия материалов, применяемых в электро
машиностроении.

Для пропитки обмоток электрических машин широко применяют
пропиточные компаунды и лаки, которые обеспечивают цементацию вш
ков, увеличивают коэффициент теплопроводности и Повышают влаги
стойкость обмоток. Покровные лаки обеспечивают влагостойкость, мае
лостойкооть, защиту от агрессивных веществ обмотки и других частей
электрических машин.

Перспективными электроизоляционными материалами являются
пленочные материалы толщиной от 10 до 200 мкм. Они обеспечиваю!
лучший коэффициент заполнения паза, что приводит к снижению массы
на единицу мощности в электрических машинах.

В электромашиностроении широко применяются пластмассы, элек-
троизоляционные бумаги и картоны, электротехнические и слоистые пла-
стмассы, намотанные электроизоляционные изделия, заливочные и про-
питочные компаунды, лакоткани, пленочные материалы, электроизоляци-
онные материалы на основе слюды и электрокерамические материалы.

Черные металлы наиболее часто применяются в электромашино
строении. К ним относятся литая сталь, серый чугун, ковкий чугун и раз-
личные сорта и профили прокатных сталей. Литая сталь в электрических
машинах применяется для изготовления частей машины, выполняющих
одновременно роль конструкционных частей и магнитопровода, по кото-
рому замыкается постоянный поток. В машинах постоянного тока — это
станина, основные и добавочные полюсы. В неявнополюсных синхрон-
ных машинах — бочка ротора, а в явнополюсном — полюсы индуктора и
индуктор (обод ротора).

Литая сталь применяется для изготовления деталей с высокими ме-
ханическими напряжениями — втулок коллектора, подшипниковых щи-
126
тяговых и взрывозащищенных машин. Изготовление деталей из литья
Яи шно с большой трудоемкостью, поэтому там, где это допустимо, литая
тип. заменяется сварными деталями из листовой стали.

Из ковкого чугуна изготовляются путем отливки станины, втулки,
«лшипниковые щиты, нажимные шайбы, маховики, шкивы и полумуф-
fi. Преимущество ковкого чугуна по сравнению с серым чугуном — в
 о пластичности и высокой износостойкости.

Сталь прокатная широко применяется при изготовлении электриче-
.Ы1Х машин. В основном применяется круглая, листовая, шестигранная и
»* 'дратная сталь.

Из цветных металлов в качестве конструкционных материалов наи-
Йпыпее применение в электромашиностроении находят алюминий и его
пнпвы с медью и оловом. Алюминиевые литые сплавы применяются для
ЯИотовления корпусов, подшипниковых щитов, вентиляторов и других
•тлей электрических машин. Детали из алюминиевого литья легче чу-
f ytmi.ix и стальных и могут изготовляться более прогрессивными спосо-
Вми. Недостаток — ненадежность резьбы, что вызывает необходимость
1> ирования втулками.

В качестве конструктивных материалов в электрических машинах
мк гаточно широко применяются пластмассы. Из термореактивных пла-
• imucc изготовляют наборы зажимов, изоляционные втулки и др. Широко
применяются спрессованные детали (щеточные пальцы, траверсы, кол-
шгоры и др.). Пластмассы в микромашинах применяются для изготов-
• ния корпусов и подшипниковых щитов.

Прогресс в электромашиностроении в настоящее время во многом
пнсит от применения новых материалов, поэтому создание материалов
I новыми свойствами, улучшение характеристик уже существующих ма-
ршалов имеет важное значение для развития электрических машин.

1.20. Подход к проектированию
электрических машин

В индуктивных электрических машинах энергия магнитного поля
•«•«центрируется в подавляющей мере в воздушном зазоре и зубцовой
«•нс, поэтому выбор объема воздушного зазора и расчет зубцовой зоны
при синтезе — проектировании электрических машин имеют основное
•ннчсние.

Удельная плотность энергии в воздушном зазоре может быть опре-
« кна как отношение активной мощности машины Р к объему воздуш-
ен о зазора Kg:
где

Рул у »

*8

(1.1 МП

Г5 = nl6 (R3 - г2) = л/68(2г+ 8) = 2л/68р;

здесь V& — объем полого цилиндра высотой 8 = R- г и средним ради)
R + r

сом р =-----.

2

В сериях электрических машин руа при изменении мощности в ши
роких пределах почти не изменяется. Так, для асинхронного двигатела
серии 4А с параметрами Р2 = 13 кВт, и = 1500 об/минрул = 0,47-106 Вт/м',
с параметрами Р2 = 250 кВт, и = 1000 об/мин руа = 0,52-106 Вт/м3. В тур
богенераторе мощностью Р2 = 1,2 млн. кВт pyR * Т106 Вт/м3. При разли
чии в конструкции и различии мощностей в 105раз рул отличается меньше
чем в 2 раза. Синтез электрической машины удобно начинать с выбора
удельной мощности воздушного зазора, а затем, определив объем boi
душного зазора, проектировать магнитную систему и обмотки. Проект
рование неотделимо от конструирования и технологии изготовлении
электрических машин.

Расчетные методы развивались и совершенствовались вместе с рат
витаем теории электрических машин. В основе большинства их лежш
выбор машинной постоянной, которая определяется из допустимых элек
тромагнитных нагрузок:

с	2

А	Р' кАВ,

V

(1.161)

где D — диаметр якоря машины постоянного тока или внутренний диа-
метр статора машины переменного тока, м; п — частота вращения,
об/мин; Р' — расчетная мощность, Вт; к — коэффициент, учитывающий
полюсное перекрытие аа, обмоточный коэффициент Ло6 и коэффициеш
формы поля кв ( к = na^^kg)[7].

Проектирование электрических машин начинают с выбора электро
магнитных нагрузок — индукции в воздушном зазоре В&, и линейной на
грузки А, А/м, определяемой током всех витков обмотки на единицу дли
ны окружности статора:

. 2mwl

А =-----

itD

(1.162)

Значения СА, В&, и А для машин с различной мощностью и частотой
вращения приводятся в книгах по проектированию электрических машин
Нчдукция в воздушном зазоре выбирается такйм образом, чтобы в зубцах
<i«i не превышала 1,4—1,8 Тл, а линейная нагрузка в машинах общего
В течения должна быть не более 40 000 А/м.

Чем выше электромагнитные натрузки, тем меньше габариты, а
Вчедовательно, и стоимость машины, которая определяется в основ-
м массой активных материалов — стали и меди. Однако с ростом
'ктроиагнитных нагрузок растут потери, снижается КПД, поэтому
। ушествуют оптимальные соотношения между A, Bs и размерами ма-
шины.

Наиболее нагретой частью машины являются обмотки ротора и ста-
юра. Допустимая температура изоляции обмоток в зависимости от класса
«шяции колеблется в пределах 105—180 °C. При проектировании необ-
•цимо рационально распределить активные материалы, выбрать конст-
п цию и систему охлаждения машины.

Температура отдельных частей машины зависит от конструкции ма-
шины, системы охлаждения и режима работы. Количество тепла, которое
м >жет быть отведено в окружающее пространство при естественном ох-
..окдени”, определяется поверхностью электрической машины, при дру-
। их системах охлаждения — объемом охлаждающего агента, проходяще-
। внутри машины.

При проектировании серий электрических машин стремятся машины
•пличной мощности делать геометрически подобными. В геометрически
подобных электрических машинах отношение активной длины /8, к диа-
метру магнитопровода статора или якоря машины D при изменении мощ-
ное I и машины остается постоянным.

В геометрически подобных электрических машинах, рассчитанных
дни одной и той же частоты сети и частоты вращения и при одних и тех
• электромагнит! ых нагрузках, мощность машины пропорциональна
пи шеному размеру / в четвертой степени: Р ~ I4. Это следует из того, что
при увеличении длины машины /6 ~ I и диаметр машины D ~ I. При уве-
личении длины и диаметра машины сечение магнитопровода пропорцио-
нп 'ii.no I2, что дает возможность увеличить пропорционально квадрату
приложенное напряжение U2. При этом и сечение меди увеличивается
пропорционально I2.

Стоимость машины можно считать пропорциональной массе маши-
нм, т.е. стоимость пропорциональна I3. Потери в электрических машинах
пропорциональны массе активных материалов, т.е. они пропорциональны
/ Поэтому выгодно строить одну мощную электрическую машину, в
I» । орой ниже удельные потери и которая требует меньше активных мате-
puiDioB на единицу мощности, чем несколько машин на ту же мощность.
И последние десятилетия наблюдался значительный рост единичной
мощности турбо- и гидрогенераторов. Мощность турбогенераторов дос-
1.	129
титла 1 млн. 600 тыс. кВт в единице, гидрогенераторов — более 800 тыс
кВт, трансформаторов — 1 млн. кВ-А на фазу.

Достигнуты значительные успехи в проектировании и производстве
электрических машин. Однако число новых машин, которые надо созда
вать, непрерывно растет и необходимо улучшать энергетические показа
тели и снижать массу машины. В последние годы для ускорения проекта
рования и повышения качества расчетных работ созданы автоматизиро
ванные системы проектирования электрических машин [7, 12]. Автомата
зированные системы проектирования — это комплекс ЭВМ, позволяю-
щий производить расчетные и проектно-конструкторские работы. Систе-
ма алгоритмов и пакетов прикладных программ обеспечивает проектиро-
вание электрических машин при взаимодействии человека с ЭВМ.
Глава вторая

I	ТРАНСФОРМАТОРЫ

2.1.	Назначение и общие сведения
о трансформаторах

Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи
лектрической энергии. Основное назначение трансформаторов — изме-
нять напряжение переменного тока. Они применяются также для преоб-
разования числа фаз и частоты. Наибольшее распространение имеют си-
•»ые трансформаторы напряжения, которые выпускаются электротехни-
ческой промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт-
шер и на напряжения до 1150—1500 кВ.

Для передачи и распределения электрической энергии необходимо
повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установлен-
ных на электростанциях, с 16—24 кВ до напряжений ПО, 150, 220, 330,
М)0, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова пони-
1ить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в
промышленности, сельском хозяйстве и быту. Так как в энергетических
*i" темах имеет место многократная трансформация, мощность транс-
форматоров в 7—10 раз превышает установленную мощность генерато-
ров на электростанциях. Силовые трансформаторы в нашей стране вы-
каются в основном на частоту 50 Гц.

Трансформаторы малой мощности широко используются в различ-
ных электротехнических установках, системах передачи и переработки
информации, навигации и других устройствах. Диапазон частот, на кото-
рых могут работать трансформаторы, — от нескольких герц до 105 Гц.

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, двухфазные,
ипехфазные и многофазные. Силовые трансформаторы выпускаются в
основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях
выпускаются однофазные трансформаторы.

Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно
1 низанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, на-
пиваются первичными. Обмотки, отдающие электрическую энергию по-
требителю, называются вторичными.

Многофазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные в мно-
|ц 1учевую звезду или многоугольник. Трехфазные трансформаторы име-
ни соединение в трехлучевую звезду и треугольник.
Рис. 2.1. Трехфазный трансформатор ТЦ-
1000000/500, мощностью 1 млн. кВ-A, на-
пряжением 500 кВ

В зависимости от cooi
ношения напряжений на пер
винной и вторичной обмоткам
трансформаторы делятся на
повышающие и понижаю
щие. В повышающем тран<
форматоре первичная обмо>
ка имеет низкое напряжение,
а вторичная — высокое. II
понижающем трансформато
ре, наоборот, вторичная o6moi
ка имеет низкое напряжение, ц
первичная—высокое.

Трансформаторы, имею
щие одну первичную и одну
вторичную обмотки назывп
ются двухобмоточными. Дос
таточно широко распростри
йены трехобмоточные транс-
форматоры, имеющие на ка-
ждую фазу три обмотки, на-
пример, две на стороне низ-
кого напряжения, одну — на

стороне высокого напряжения или наоборот. Многофазные трансформа-
торы могут иметь несколько обмоток высокого и низкого напряжения.

По конструкции силовые трансформаторы делят на два основных ти
па — масляные и сухие. В масляных трансформаторах (рис. 2.1) магнито
провод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным мас-

лом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим а, ентом. Сухие

трансформаторы охлажда-
ются воздухом. Они при-
меняются в жилых и про-
мышленных помещениях, в
которых эксплуатация мас-
ляного трансформатора
является нежелательной
(рис. 2.2). Трансформатор-
ное масло является горю-
чим, и при нарушении гер-
метичности бака масло мо-

Рис. 2.2. Взрывобезопасный трансформатор ТСВ
160/6 мощностью 60 кВ-A, напряжением 6 кВ

жет повредить другое обо-
рудование.
Наряду с трансформаторами широко применяются автотрансформа-
1оры, в которых имеется электрическая связь между первичной и вторич-
ной обмотками. При этом мощность из одной обмотки в другую переда-
йся как магнитным полем, так и за счет электрической связи. Авто-
фпнсформаторы строятся на большие мощности и высокие напряжения и
фименяются в энергосистемах, а также используются для регулирования
«пряжения в установках небольшой мощности.

Номинальные данные трансформатора, на которые он рассчитан с
шюдской гарантией на 25 лет, указываются в паспортной табличке
фиисформатора: номинальная полная мощность 5Н0М, кВ-A, номинальное
чейное напряжение £/дном> В или кВ, номинальный линейный ток 7ДНОН, А,
номинальная частота/ Гц, число фаз т, схема и группа соединения обмо-
н»к, напряжение короткого замыкания UK, %, режим работы и способ ох-
«ждения. В табличке приводятся также данные, необходимые для мон-
1«*а: полная масса, масса масла, масса выемной (активной) части транс-
форматора. Указываются тип трансформатора в соответствии с ГОСТ на
марки трансформаторов, завод-изготовитель и год выпуска.

Номинальная мощность однофазного трансформатора 5Я0М = (71номАном,
а трехфазного s№„	1л. НОМ $ ^Лф.номАф.ном ’ где Г/1Л.НОМ» СЛф.ном»

Ачном и Лф.ном — соответственно номинальные линейные и фазные значе-
пиа напряжений и токов.

Номинальными напряжениями трансформатора являются линейные
«•«пряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках
цчшсформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток
принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номи-
и« шгых первичных и вторичных напряжениях.

Ввиду общности конструкции и методов расчета к трансформаторам
ищут быть отнесены реакторы, дроссели насыщения и сверхпроводящие
индуктивные накопители. Большая группа электромагнитных устройств,
||шменяемых в системах автоматического управления, — магнитные
ч илители, различные датчики, измерительные трансформаторы — хотя и
имеет общие уравнения с силовыми трансформаторами, рассматривается
• валичных смежных курсах.

2.2.	Уравнения трансформатора

Схему трансформатора можно получить из схемы обобщенной ма-
шины (см. рис. 1.28), когда ор = 0 и между неподвижными обмотками
 гора и ротора, сдвинутыми на электрический угол, равный 90°, маг-
ии uu.ie связи отсутствуют.
Рис. 2.3. Схема однофазного трансфор-
матора

Рассмотрим вначале уравнс
ния ненасыщенного однофазного
двухобмоточного трансформато-
ра, у которого число витков пер
вичной обмотки Wi равно числу
витков вторичной обмотки w2. На
рис. 2.3 дана схема однофазного
трансформатора, на которой для
удобства изображения первичная
и вторичная обмотки расположе-
ны на разных стержнях. В реаль
ных трансформаторах для обес-

печения лучшей магнитной связи обмотки располагаются на одном

стержне.

Для анализа процессов преобразования энергии в трансформатор-
удобно представить, что имеются рабочий поток Ф„, сцепленный с
обеими обмотками, и потоки рассеяния первичной ФО1 и вторичной Фя2
обмоток. Потоки рассеяния Ф„1 и Ф^ сцеплены лишь с одной обмоткой; и} и
it — напряжение и ток первичной обмотки; и2 и i2 — напряжение и то»
вторичной обмотки.

Для двухобмоточного трансформатора по схеме рис. 2.3 могут был
записаны следующие уравнения:

I “,| = |Г'+1^ ^llxIHI- (2-1)
||-u2|| II Рм ri + pL2\\ ||i2||

. d

где p <2 —; rt и r2 — активные сопротивления первичной и вторил-
dt

ной обмоток; М — взаимная индуктивность между первичной и вто-
ричной обмотками (определяется рабочим потоком Ф„); £, и Z2 —
соответственно индуктивности первичной и вторичной обмоток. Знак
минус перед напряжением и2 показывает, что активная мощность пе-
редается из первичной во вторичную обмотку, к которой присоедине-
на нагрузка.

Дифференциальные уравнения (2.1) получаются из уравнений обое
щенной машины (1.100), если рассматривать связи обмоток по одной оси
при частоте вращения ротора, равной нулю, и заменить индексы а и р на
1 и 2, отнеся их соответственно к первичной и вторичной обмоткьл.
трансформатора.

Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электри-
ческой связи, и мощность из одной обмотки в другую передается элек-
тромагнитным путем. Для усиления связи обмотки располагаются на
ферромагнитном сердечнике — магнитопроводе.
Анализ уравнений трансформатора начнем с уравнений идеального
фансформатора. В идеальном трансформаторе rt = 0 и г2 = 0 и потери в
стали магнитопровода не учитываются. Магнитная проницаемость стали
)Qr = °0, весь поток замыкается по стали, и потоки рассеяния равны нулю.

Электромагнитная связь между обмотками трансформатора характе-
ризуется коэффициентом электромагнитной связи (рис. 2.3)

М
с-

(2.2)

Для идеального трансформатора, в котором нет потерь и весь поток
i цеплен с первичной и вторичной обмотками (рассеяние отсутствует), с = 1,
। е. связь между обмотками полная.

В реальных трансформаторах существуют потоки рассеяния первич-
ной Ф„1 и вторичной Фо2 обмоток, поэтому электромагнитная связь в них
неполная и с < 1. В связи с этим вводится понятие коэффициента элек-
|ромагнитного рассеяния:

о = 1-с2=1--р-.	(2.3)

Потоки рассеяния имеют важное значение для процессов электро-
магнитного преобразования в трансформаторах, и считать, что они вред-
। ые, и стараться свести их к нулю не следует.

В силовых трансформаторах имеет место высокий коэффициент
♦лектромагнитной связи (с = 0,93ч-0,999), соответственно невелико и рас-
сеяние (а = 0,074-0,001).

В идеальном трансформаторе при синусоидально изменяющемся
мигнитном потоке

dT,	d	ч

«, =-е, = —  = w, —(Фт sin со/) = со№|Фт cos cor;
dt	dt

n, = e, =-- - —w2 —(Ф„ sin co/) = -cotw,<I>m cos cor.

22 dt 2 dt m	2 m

(2-4)

В (2.4) Фт — амплитудное значение потока трансформатора, а и » е,
ик как падения напряжения на обмотках равны нулю. При этом дейст-
вующие значения ЭДС

соад.Ф
г __	1 I

(0Ш2Ф

= л-^2/и1,Фга = 4,44 /Ьи1Фт;

= 7Г

(2-5)

|дссь со = 2л/
Отношение напряжений в идеальном трансформаторе называется ко
эффициентом трансформации:

Ut _ Е, _ sy,
1/2 W2

(2.6|

Так как в идеальном трансформаторе U2I2 =	, то токи в первич

ной и вторичной обмотках можно определить по формулам

— = и,2; 12 =	.	(2.71

В реальных трансформаторах эти соотношения практически не на
рушаются, так как в силовых трансформаторах потоки рассеяния и актин
ные сопротивления обмоток относительно невелики.

Уравнения (2.1) могут быть переписаны в виде

ul=iirl+pLlil+pMi2; 1

- и2 = pMit + i2r2 + pL2i2.)

Уравнения (2.1) и (2.8) описывают переходные и установившиеся
режимы работы трансформатора. Чтобы получить комплексные уравне-
ния трансформатора, характеризующие только установившиеся режимы

работы, нужно в (2.1) или (2.8) заменить	ja. После замены

dt

р j(o из (2.8) имеем

Ц = i,rt + jaL,/, + jcoM/2;

-U2 = I2r2 + j<oL2I2 +

Полное индуктивное сопротивление первичной обмотки

со£, = <оМ + <в£о1,	(2.10)

где Z,oi — индуктивность рассеяния первичной обмотки, соответствую
щая потоку рассеяния Фо1; wZol — индуктивное сопротивление рассеяния
первичной обмотки; ®Л/— индуктивное сопротивление взаимной индукции.

Индуктивное сопротивление вторичной обмотки

<oZ2 = аМ + со£о2,	(2.11)

где oLB2 — индуктивное сопротивление рассеяния вторичной обмотки;
Ьо2 — индуктивность рассеяния вторичной обмотки.

Подставляя (2.10) в первое уравнение (2.9), получаем

Ut = /tr, +	+ j<oLolit + j&MI2.

(2.12)
(водя ток 70, равный

4 = А+ 4,	(2.13)

и подставляя (2.13) в (2.12), имеем

Ц = Ari + У<оЛ/7о + jaLnlix.	(2.14)

1десь аМ10 = -Ё1, toLal = хх. Тогда

С?! = —Д + 7^!,	(2.15)

| де сопротивление первичной обмотки

21=Г1+А1-	(2-16)

Преобразуя второе уравнение в (2.9), как это было сделано для пер-
вого уравнения, получаем

“	+ j(oMio + j(oLBlI2.	(2.17)

В (2.17) аЬо2 — индуктивное сопротивление рассеяния вторичной

'•омотки и х2 = (о£о2 , тогда	
U2 — Ё2+ 12г2,	(2.18)
|де сопротивление вторичной обмотки	
Z2 = Г2 + JX2 ’	(2-19)
1 ЭДС первичной и вторичной обмоток	
Ёх = Ё2 = -]&М10.	(2.20)

Тогда комплексные уравнения трансформатора с одинаковым чис-
иом витков первичной и вторичной обмоток (приведенного трансфор-
матора) примут вид

С/i = —Ёх + /lzl;

^2=^2~^2Z2’ '

4 = 7, + 72 .

(2-21)

Если к уравнению трансформатора (2.21) добавить уравнение на-
1|»у зки

1/2=4^,

(2.22)

получим уравнения, описывающие работу трансформатора в установив-
шихся режимах.
2.3.	Векторная диаграмма трансформатора

Для уравнений трансформатора может быть предложена векторная
диаграмма, являющаяся геометрической интерпретацией уравнений
трансформатора на комплексной плоскости.

Так как коэффициент трансформации может достигать несколько
десятков, строить диаграмму с векторами первичной и вторичной обмо-
ток, отличающимися в несколько десятков раз, неудобно. Поэтому приня-
то векторную диаграмму и схему замещения рассматривать для приве-
денного трансформатора.

В приведенном трансформаторе числа витков первичной и вторич-
ной обмоток одни и те же (W] = w2). При этом все электромагнитные пу
цессы в реальном и приведенном трансфсрми горах протекают одинаково
В реальном и приведенном трансформаторах остаются неизменными по
тери, МДС, магнитные потоки, активные и реактивные мощности. Если
определять коэффициент трансформации как отношение витков перви
ной обмотки к виткам вторичной (2.6), то можно для приведенного и ре-
ального трансформаторов составить следующие соотношения:

Реальный	Приведенный
трансформатор	трансформатор
w2	w2 - W,
Ё2	Ё2 = п12Ё2
А	Й2 = nl2U2
ii	/' =А. 7 2  «12
Г2	г2'=и12г2
х2	Х2 = П12Х2

Приведение напряжений и токов следует из равенства мощностей ре-
альной и приведенной обмоток трансформатора:

Й2/2=Й;/;.	(2.23)

Магнитодвижущие силы приведенной и реальной обмоток одинаковые
i'2w2 = I2w2.	(2.24)

Чтобы магнитные поля в реальном и приведенном трансформаторах
оставались неизменными, должны выполняться равенство (2.24) и сохра-
няться конфигурация обмоток. При этом сечения приведенной и реальной
|<моток должны быть одинаковыми, поэтому сечение витка приведенной
обмотки изменяется в и12 раз.

Активное сопротивление приведенной обмотки в и,2 раз больше,
чем активное сопротивление реальной обмотки, из-за изменения в и12 раз
числа витков и сечения витка:

Г2 =«!22Г2-

(2.25)

Так как при неизменных геометрических размерах индуктивные со-
противления зависят от квадрата числа витков

Х2 ~ П12Х2 >

к» при этом

z2 — «12^2 •

(2.26)

(2.27)

>ги соотношения мотуг быть получены и из равенства активных и реак-
швных мощностей трансформаторов.

Для трансформатора с приведенными обмотками уравнения выглядят
ыдующим образом:

Ut = ~Ёх+1хгх, (2.28)
17'=^-^'; (2.29)

4 = А+Д. (2.30)

Геометрической интер-
претацией (2.28)—(2.30) яв-
ивется векторная диаграмма
приведенного трансформато-
рн (рис. 2.4, а).

Построение диаграммы
лучше начать с уравнения
(1.30), отложив поток в фазе Фт
I in гем строить (2.28) и (2.29).

Мощность, подводимая
I первичной обмотке транс-
форматора (рис. 2.4, а),

Рх = UXIX coscp,. (2.31)

Мощность, отдаваемая в
ширузку (мощность на вто-
ричной обмотке),

Рг = и'г1'г cos<p2, (2.32)
при эт ом Р2 < Р\, так как часть

Рис. 2.4. Векторная диаграмма трансформа-
тора при смешанной активно-индуктивной
нагрузке (а) и активно-емкостной (б) нагрузке
Рис. 2.5. Энергетическая диаграмма актив-
ной мощности трансформатора

мощности расходуется на потери
в трансформаторе.

На рис. 2.5 дана энергетичг
ская диаграмма активной мош
ности в трансформаторе. Часн.
активной мощности расходует си
на потери в меди первичной
и вторичной (7')2г2' обмотках

Кроме потерь, в меди есть потери в стали, которые могут определяться через
£, и активную составляющую тока холостого хода 1^. Обмотки трансформп
торов выполняются из меди и алюминия. Поэтому точнее говорить о потерях
в металле обмоток, но принято эти потери называть потерями в меди, и пока
нет необходимости заменять сложившуюся терминологию. Потери в меди
иногда называют электрическими потерями.

Электромагнитная мощность трансформатора — это мощность, ко-
торая передается магнитным полем из первичной обмотки во вторичную
или наоборот. Трансформаторы обратимы: как активная, так и реактивная
мощность может передаваться из первичной обмотки во вторичную или
из вторичной в первичную.

Для создания поля в трансформаторе необходима реактивная мощ
ность, которая идет на создание основного поля — поля взаимной индук-
ции — и полей рассеяния первичной и вторичной обмоток.

На рис. 2.6 представлена энергетическая диаграмма реактивной
мощности в трансформаторе. По векторной диаграмме реактивная мощ-
ность, поступающая в первичную обмотку, равна

PIp=t/171sin<p1.	(2.33)

На создание поля рассеяния расходуется мощность 1^х1, а реактив

ная мощность

Р1р-АЧ =171/Isin<p-Z12x1

(2.34)

сосредоточивается в поле взаимной индукции. На создание поля рас-

сеяния вторичной обмот- . —
ки идет реактивная мощ-
ность (Г2)2х2. Реактивная />

составляющая электромаг-
нитной мощности Рэр —
это мощность, которая
передается от первичной
обмотки ко вторичной
(рис. 2.6).

Рис. 2.6. Энергетическая диаграмма реактивной
мощности трансформатора
Если нагрузка трансформатора индуктивная, реактивная мощ-
ность от трансформатора поступает в нагрузку. Если нагрузка транс-
форматора емкостная и активная, то при большой емкости реактивная
Мощность поступает в трансформатор и в сеть. При этом Р2р > Лр.
Направления активной и реактивной мощностей могут совпадать или
быть встречными.

Как следует из векторной диаграммы трансформатора, при смешан-
ной емкостной нагрузке U2 > Ut (рис. 2.4, б). При чисто емкостной на-
врузке возрастание напряжения на вторичной обмотке может быть столь
значительным, что это окажется опасным для изоляции. Возрастание на-
пряжения на трансформаторе при емкостной нагрузке называется пере-
возбуждением трансформатора.

2.4.	Схема замещения трансформатора

'Для уравнений приведенного трансформатора в установившемся ре-
жиме (2.28)—(2.30) может быть предложена электрическая схема заме-
щения (рис. 2.7). Действительно, если представить, что к выводам вто-
ричной обмотки подключена нагрузка z'H, то U'2 = I'2z'H. Решая совместно
(2.28)— (2.30), получаем

A zi

~ А2,

U,

Zo+Z>Z2.

(2-35)

Нетрудно убедиться, что, согласно схеме замещения трансформато-
ра, напряжение на первичной обмотке определяется по (2.35).

Электрические схемы замещения имели большое значение в разви-
гии теории электрических машин. Они позволяют сложные процессы,
происходящие в трансформаторах и электрических машинах с переме-
щающимися обмотками, свести к процессам в определенным образом
соединенных активных и индуктивных сопротивлениях.

В схеме замещения имеется электрическая связь между первичной и

р юричной обмотками, что позволяет
Исключить из рассмотрения магнит-
ные связи.

В (2.21) и (2.28)—(2.30) потери
и магнитопроводе не учитываются.
Их можно приближенно учесть, уве-
тчив активное сопротивление пер-
ннчиой обмотки и или введя в z0
ukiiiBHoe сопротивление г0, эквива-

Рис. 2.7. Т-образная схема замещения
трансформатора
Рис. 2.8. Схема замеще-
ния трансформатора с
двумя сопротивлениями
в ветви намагничивания

лентное потерям в стали:

zo=fo + Ao.	(2.36)

где магнитные потери (потери в стали)

I20r0=-^r0.	(2.37)

z0

Потери в стали пропорциональны Е* = Е2
Так как Фт - Е, потери в стали пропорции
нальны Ф„ или В2. Если не учитывать падею»
напряжения на zb потери в стали можно, <
большой точностью, считать пропорциональны
ми квадрату Напряжения С/2.

Т-образную схему замещения (рис. 2.7) можно видоизменить, предста
вив ветвь намагничивания состоящей из двух сопротивлений (рис. 2.8).

Из схемы замещения рис. 2.8

7

Г12

7 =А

0₽	7*12

(2.3«|

(2.39)

На схеме рис. 2.8 параметры намагничивающего контура г)2 и jxtl
представлены в виде сосредоточенных параметров. В действительности
они распределенные. Используя выражения (2.38) и (2.39), можно прийти
к схеме, в которой активное и реактивное сопротивления намагничиваю
щего контура соединены последовательно (рис. 2.9). В этой схеме
замещения zl=rl + jx; z'2 = r2' + jx2; z0 = r0 + jx0. В схему рис. 2.9 вхо

дят активные сопротивления первичной и вторичной обмоток г} и г2,
индуктивные сопротивления рассеяния первичной и вторичной обмоток
*1 и х2, а также сопротивление, эквивалентное потерям в стали, г12 и со-

противление взаимной индукции х12.

Уравнения установившегося режи-
ма, векторная диаграмма и схема заме-
щения позволяют проанализировать ра-
боту трансформатора в установившемся
режиме.

Когда zH = оо, имеет место холо-
стой ход трансформатора ( 7' = 0). При
этом трансформатор потребляет из сети

Рис. 2.9. Видоизменение схемы
замещения трансформатора
iok холостого хода, который идет на создание поля в трансформаторе и
покрытие потерь в стали. Ток холостого хода имеет в основном реактив-
ную составляющую.

При нагрузке во вторичной обмотке протекает ток 1'2, который рас-
тет при увеличении нагрузки. В первичной обмотке при увеличении на-
'рузки также растет ток It, при этом токи 1'2 и It имеют встречное на-
правление и их сумма, практически, не изменяется [см. (2.30)]. Это хоро-
шо видно и на векторной диаграмме (см. рис. 2.4), которая является гео-
метрической интерпретацией уравнений трансформатора. Ток холостого
хода /0 при нагрузке не растет и даже уменьшается за счет падения на-
нряжени" на первичной обмотке. При изменении нагрузки во вторичной
гчмотке изменяется потребляемая из сети мощность в первичной обмот-
ке, а поток Ф„ в трансформаторе почти не изменяется, так как из вектор-
ной диаграммы и схемы замещения видно, что £, и Е'г ( £, = Ё'2) почти
н  изменяются, так как падение напряжения на первичной обмотке мало.

При емкостной нагрузке реактивная мощность в трансформатор по-
упает с выводов вторичной обмотки. При cos<p, =1 реактивная мощ-
ность из сети С7, не поступает, а реактивная мощность для создания поля
|рансформатора поступает из сети U2.

При увеличении емкости во вторичной обмотке реактивная мощ-
ность не только идет на создание поля в трансформаторе, но и поступает
h сеть С7,.

Для того чтобы из сети U2 активная мощность поступала в сеть Ut,
необходимо, чтобы U2 > £,. При этом на векторной диаграмме (рис. 2.4, а)
При активно-индуктивной и активной нагрузках U2 > Ut.

2.5.	Трехфазные трансформаторы

Распределительные сети в энергосистемах являются трехфазными,
поэтому большинство силовых трансформаторов выпускаются трехфаз-
пыми. Чтобы применить трансформаторы в трехфазной системе напря-
жений, можно воспользоваться тремя однофазными трансформаторами
(рис. 2.10).	t

Путем совмещения магнитных систем трех однофазных трансформа-
торов можно получить трехфазный трансформатор с общей магнитной
Рис. 2.10. Трехфазная ipynna од-
нофазных трансформаторов

системой (рис. 2.11, а). Так как в трех
фазной системе Ф^+Фв+Фс=п,
можно три стержня, обведенных штри
ховой линией на рис. 2.11, а, не выпои
нять, что позволяет перейти к схемам
рис. 2.11, бив.

Трехфазные трансформаторы со
стержнями, расположенными в одной
плоскости, получили наибольшее
распространение. Присущая им нс
большак несимметрия из-за того, чю
фаза, расположенная на среднем
стержне, находится несколько в иных
условиях, чем фазы на крайних стержнях, при эксплуатации не имес!
большого значения.

Намагничивающие токи обмоток фаз, размещенных на крайних сер
дечниках, больше, чем в средней, на 10—15%. При холостом ходе эш
токи образуют несимметричную систему. Током холостого хода считае>
ся среднее арифметическое токов трех фаз.

Следует отметить, что как на первых порах развития трансформато
ростроения, так и сейчас выпускаются трансформаторы со сдвигом в про-
странстве стержней на 120° (рис. 2.11, б).

Трехфазный трансформатор был получен путем объединения трех
однофазных, поэтому рабочие процессы в нем протекают так же, как и
трех однофазных, и для фазы трехфазного трансформатора справедливы
дифференциальные и комплексные уравнения, векторная диаграмма и
схема замещения однофазного трансформатора. В трехфазном трансфор
маторе рабочие процессы в большинстве случаев исследуют для одной
фазы и считают, что в других фазах они протекают аналогично лишь со
сдвигом во времени.

Для трансформации напряжений в трехфазных системах использу-
ются как трансформаторы с общей магнитной системой, так и трехфазная

Рис. 2.11. Трехфазный трансформатор, полученный путем совмещения трех одно-
фазных трансформаторов
ijiynna однофазных трансформаторов. При использовании трансформато-
|м»и предельной мощности легче на большую мощность выполнить три
»1шофазных трансформатора. При изготовлении трансформаторов массо-
»мх серий выполняются трехфазные трансформаторы с общим магнито-
 доводом, так как при этом достигается экономия в материалах и умень-
истся трудоемкость при изготовлении.

Строго теорию однофазного трансформатора применять к трехфаз-
ному трансформатору с общей магнитной системой можно лишь в уста-
новившихся симметричных режимах. При исследовании динамики, не-
। нмметричных и других режимов следует учитывать наличие общей маг-
ии । ной системы.

Сказанное относится не только к трехфазным, но и к многофазным
|||цисформаторам. Из многофазных трансформаторов находят редкое
применение шести- и девятифазные трансформаторы.

Далее все процессы в трансформаторах будут рассмотрены примени-
। ньно к однофазным трансформаторам. Все полученные выводы будут
। нраведливы и для каждой фазы многофазных трансформаторов.

2.6.	Параметры схемы замещения трансформатора

Т-образная схема замещения трансформатора состоит из трех сопро-
I пилений zi, Zj и zu, в которые входят активные и индуктивные сопро-

। пиления. Определение параметров — сопротивлений схемы замещения —

может быть проведено опытным и расчетным путями.

Для определения параметров схемы заме-
щения необходимо провести два опыта — хо-
лостого хода и короткого замыкания. При оп-
ределении параметров расчетным путем рас-
i мптривают режимы холостого хода и коротко-
|о замыкания.

Холостой ход трансформатора. Уравне-
ния трансформатора при холостом ходе, когда
/ [ - 0, a zH = оо, выглядят следующим образом:

Рис. 2.12. Векторная
диаграмма трансформа-
тора при холостом ходе

	(2-40)
	(2-41)
4=А-	(2-42)

Векторная диаграмма трансформатора при
Холостом ходе показана на рис. 2.12. Схема
Рис. 2.13. Схема замеще-
ния трансформатора при
холостом ходе

Рис. 2.14. Схема проведения опыта холостого хода и
короткого замыкания для трехфазного трансформв
тора

замещения при холостом ходе может быть получена из Т-образной см
мы, если считать Г2 = 0 (рис. 2.13).

При исследовании трехфазного трансформатора в опыте холосто! и
хода (рис. 2.14) к первичной обмотке трансформатора подводится pei у
лируемое напряжение в пределах (0,3<-1,2)U|HOM (t/1H0M — номинально
напряжение на первичной обмотке). Опыт холостого хода может проно
диться и при питании со стороны вторичной обмотки. Обычно питание
осуществляется со стороны низкого напряжения, так как это облегчас ।
проведение экспериментов.

В опыте холостого хода снимаются зависимости тока холостого хода /.
потерь холостого хода Рх, cos<px от напряжения (рис. 2.15).

Ток холостого хода сначала линейно зависит от U„ а при 1/х
« (0,6^-0,8) [/„ом из-за насыщения отклоняется от линейной зависимое! и
При Ux = (1,1-И,2)С/ном, когда магнитная система трансформатора наем
щена, 1Х снова изменяется по линейному закону. При насыщении paerci

U,4	0,6 0,8 1,0 64.

Рис. 2.15. Характеристики хо-
лостого хода трансформатора
(Р = 100 кВ А, /= 50 Гц, U =
= 6,3/0,22 кВ)

реактивная мощность, поэтому costp,
увеличением напряжения падает.

Потери при холостом ходе Рх — это
потери в стали магнитопровода траш
форматора. Ток холостого хода в силовых
трансформаторах составляет 0,8—10%. 11
трансформаторах 200 000—630 000 кВ А
ток холостого хода составляет 0,5—0,4%,
Поэтому электрические потери в 10’
—5104 раз меньше электрических по
терь при номинальном режиме. Счита
ют, что потери при холостом ходе — это
потери в стали.

Определив потери холостого ходи
Рх, можно найти активное сопротивлг
t»<c схемы замещения г0, эквивалентное потерям в стали: Рх =	+ г0),

»' Г| « Го, поэтому можно считать, что Р* = ml2ro.

Сопротивление взаимной индукции

(2-43)

р

Зная полное сопротивление и г0 = —\, определяют

х0=л/г2-г02 .	(2.44)

Активные сопротивления первичной и вторичной обмоток транс-
форматора г, и г2' находятся опытным путем при питании обмоток посто-
ЫШ1.1М током. Активные, или, вернее, омические, сопротивления находят
т лением постоянного напряжения на ток.

Сопротивления схемы замещения трансформатора z0, х0, г0 зависят от
««пряжения. С ростом С7Х из-за насыщения z0 и х0 уменьшаются и ток уве-
нчивается. Насыщение в трансформаторе — индукция Вт — зависит от
приниженного к обмоткам напряжения С7ф, числа витков фазы обмотки w
и»счсиия магнитопровода S: С7ф = 4,44 fBmSw.

Потери в стали пропорциональны В2 и частоте приближенно.
Ч|о(»ы уменьшить потери в стали, надо уменьшать в первую очередь ин-
окиню в стержнях и ярмах магнитопровода трансформатора.

В относительных единицах при Ux = t/„0M обычно z0. »	= 33+330

Н = 5+65. Последние числа относятся к мощным трансформаторам.
11 «противления Г] и X] в сотни раз меньше г0 и х0. Для мощных трансфор-
MoiopoB с большой точностью можно считать, что параметры схемы за-
.<• тения при холостом ходе определяются параметрами намагничиваю-
ни1 о контура.

Из опыта холостого хода определяют коэффициент трансформации
мк отношение напряжений на первичной и вторичной обмотках при хо-
 t юм ходе:

(2-45)

U2

Индуктивные сопротивления в схеме замещения, найденные экспе-
риментально при опыте холостого хода, можно использовать при напря-
• • инн, близком к тому, при котором они найдены, так как они зависят от
им ш пения.

Опыт короткого замыкания. Опыт проводится при пониженном
мнрижении, приложенном к первичной обмотке, и замкнутой накоротко
147
Рис. 2.16. Характеристики ко-
роткого замыкания трансфор-
матора (Р = 100 кВ-А,/= 50 Гц,
[/=6,3/0,22 кВ)

вторичной обмотке (см. рис. 2.14) 11
этом U2 = 0, а токи примерно равны / J

Уравнения при коротком замьиини *

U, = -Ё} + /jZ,;	(' <

0 = Ё'2 - Г2г'г;	( Ч

Так как намагничивающий ток /, 
пониженном напряжении небольшой
опыте короткого замыкания можно *
тать, что /о=О, откуда следует,
Л="Л-

Характеристики короткого замыкания показаны на рис. 2.16. В п
те короткого замыкания трансформатор ненасыщен, поэтому ток /,
увеличении напряжения изменяется по линейному закону. Потерн i
коротком замыкании пропорциональны квадрату тока. Коэффипп
мощности cos<pK остается постоянным при изменении напряжении,
как соотношение между активной и реактивной составляющими осин»
практически, неизменным.

Из опыта короткого замыкания

Р,
cosra =----=—:	(!

z,

—rr=zrcoscp,;	.

При проведении опыта следует иметь в виду, что по обмоо<
трансформатора протекают номинальные токи, которые из-за н;и|Я
обмоток могут изменяться. При проведении опыта сопротивления о(и^
ток следует привести к температуре 75°С.

Потери при коротком замыкании — это потери в меди. Потерями
стали можно пренебречь, так как опыт проводится при напряжений
10—20 раз меньшем, чем номинальное, а потери в стали пропорциони ч
ны квадрату напряжения. Поэтому потери в стали в опыте коротко! <> «
мыкания в 100+400 раз меньше, чем при С/ном.

Потери короткого замыкания можно найти по формуле

Р* = mUKIK coscp, = ml* г*,	(? М

где г, = г, + г2 
Н । сории трансформаторов важное значение имеет понятие о напря-
м !« короткого замыкания. Напряжение короткого замыкания ик — это
ф .н напряжение, при котором в опыте короткого замыкания в обмотках
• форматора протекают номинальные токи.

11ппряжение короткого замыкания определяется по следующей формуле:
^=^==400%,	(2.52)

^Аном

* I «- , = Ahomz« , а zk — сопротивление короткого замыкания при тем-

75 °C.

Ihu (ряжение короткого замыкания для силовых трансформаторов
т н лястся ГОСТ и выбивается на паспортной табличке трансформато-
1»,. определяет объем меди трансформатора, так как от сечения витков
until зависит активное сопротивление гк. Поэтому, чем больше ик, тем
...Hi габариты трансформатора. При этом выше потери в меди и ниже
ВИД Число витков фазы трансформатора зависит от напряжения и сече-
fa 11сржня трансформатора, так как номинальное значение индукции
ванного сорта стали при проектировании трансформаторов не варьи-
|«>i« н широком диапазоне. Напряжение короткого замыкания опреде-
нтчепие ударных токов при коротком замыкании трансформатора
.. номинальном напряжении. На параллельную работу включаются
fah форматоры, имеющие одинаковое и°/о.

1яия дк%, можно определить установившийся ток короткого замыка-
*» (’читая характеристику намагничивания трансформатора линей-
•* > 01 носительных единицах можно записать

100%
” и.%

(2-53)

(нн.14110 wK% для силовых трансфор-
равно 4—12% UH0M. Зная ик%, по
 11 можно определить установившийся
> про гкого замыкания. Если нк% =
I . ю /к при номинальном напряже-

I tftiio 10/ном.

Шторная диаграмма трансформа-
при коротком замыкании в соответ-

• .‘К < (2.46)—(2.48) представлена на
} 1 17. Из векторной диаграммы сле-
410

Рис. 2.17. Векторная диаграмма
трансформатора при коротком
замыкании

=rK+JxK; rK=r,+r2;

х, =х,+х;; i^i'2.
Рис. 2.18. Треуголь-
ник короткого замыка-
ния трансформатора

Перестроив векторную диаграмму при kojwI
ком замыкании так, как показано на рис. 11•
можно получить треугольник короткого замыкл»
АВС. В этом треугольнике АВ = ик%. Катет И
лак, а катет ВС = ир к.

Активная составляющая напряжения корон
го замыкания

м„=^^100%.
^Аном

Реактивная составляющая напряжения ко|ш»
кого замыкания

«р.к

Лно»А 100о/о

^Аиом

Из треугольника короткого замыкания

и,, = wk cosip,; ирк = ик sinip,.

Коэффициент мощности cosip, в мощных трансформаторах равен при
мерно 0,1, а в трансформаторах небольшой мощности—примерно 0,5—0,6

Уравнениям (2.46)—(2.48), описывающим поведение трансформ;нн
ра при коротком замыкании, соответствует схема замещения (рис. 2.I'»)
Эта схема замещения, полученная при допущении 10 — 0, является при
стейшей. Схема замещения трансформатора в виде одного сопротивлении
zK применяется при анализе поведения трансформаторов в энергетической
системе, когда приходится учитывать несколько элементов энергетич
ской системы.

Определение параметров схемы замещения расчетным путем
Активные сопротивления обмоток трансформатора определяются ин
формуле





где р — удельное сопротивление материала обмотки, Ом-м; I

длине

обмотки, м; S — сечение проводника
обмотки, м2.

При проектировании трансфор-
маторов сначала рассчитывают по-
тери короткого замыкания, а затем
определяют активные сопротивления
первичной и вторичной обмоток.
Так как потери в меди Ры = 12г, то,

Рис. 2.19. Упрощенная схема заме,
щения трансформатора
. ням ток через плотность тока и сечение проводника, получаем

Р = Л252	= A2 Sip,	(2.55)

м	s

Mi Л — плотность тока, А/м2; SI— объем провода, м3.

Умножив и разделив правую часть (2.55) на плотность меди ум, полу-

W погори в меди:

р = А2(Яум)р .	(2 56)

Ум

Подставив в (2.56) ум = 8,9-Ю3 кг/м3 и р = 0,02135-1 СТ6 Ом-м, получим

Рм =2,4Л2бм-10“12,	(2.57)

» (/м — масса меди обмотки, кг, GM = Sbju, здесь S — сечение обмотки; I —
, | шия длина витка обмотки.

Число витков на фазу обмотки низкого напряжения

4,44УВСТ5СТ ’

(2.58)

I* (/ф — фазное напряжение обмотки низкого напряжения. В;/— часто-

i I и; — индукция в стержне, Тл; SCT — сечение стержня, м2.

Полученное число витков из (2.58) округляется до целого числа.

(  Цуст отметить, что ЭДС одного витка

С/ = —

I низковольтных трансформаторах равна 1—1,5 В.

Число витков вторичной обмотки можно определить, зная коэффи-
 иг трансформации. Однако при практических расчетах определяют
4чную массу обмоток и потери в обмотках, а затем находят rK = r{ + г2.

Дия алюминиевых обмоток (р75° = 34-КГ9 Ом-м, у = 2,7103 кг/м3) потери

= 12,75A2G„ -10’12,	(2.59)

' * < । и, — масса алюминиевой обмотки.

Активное сопротивление обмоток увеличивается примерно на 5% за
 I влияния вихревых токов.

1’н «дельное определение индуктивных сопротивлений рассеяния Xi и
представляет большие трудности, а для проектирования трансформа-
m«|»iu достаточно рассчитать = aLK = х1 + х'2. При этом считают, что
«, * г2 .
Рис. 2.20. К определению
энергии поля рассеяния

Определение хк расчетным путем <и
проведено В. Роговским в начале века и ।
вито Е. Г. Марквардтом и Г. Н. Петровы <

Для Определения хк необходимо я
считать энергию поля рассеяния. Пут. ь I
концентрической обмотке (рис. 2.20) п|
текают токи it = -i2 = iK и линейная
грузка распределена равномерно. Tini
энергия поля рассеяния

Из (2.60) индуктивность рассеяния

=^ф-.	(2 fill

Считая, что индукционные линии поля рассеяния параллельны и >«
мыкаются равномерно вокруг оси стержня, распределение поля рассеян!
в радиальном направлении можно принять трапецеидальным (рис. 2.21)

Энергию поля рассеяния можно найти также по формуле

где Bq, — среднее значение индукции в объеме поля
рассеяния; Va—объем поля рассеяния (рис. 2.20).

Объем поля рассеяния Va представляет собой
объем полого цилиндра с расчетной высотой /о.
Расчетная высота полого цилиндра несколько
больше высоты обмотки / (рис. 2.20):

4“/»	(2-63)

где kR — коэффициент Роговского, который учиты-
вает увеличение высоты обмотки, kR ~ 0,934-0,98.
Как показали исследования В. Роговского,

I ~--------------

° l-a(l-e-v°) ’

а., +а, + а,
где о = —-----5

nl

В концентрических обмотках ст < 0,1 и

Рис. 2.21. Распре/
ние поля рассеяны i i
радиальном напр >н
НИИ
1 I 1/1 Л г ^12	+ ^2

/о »  ---= /(1 + 0) = I + -*----!----~

1-0	Л

•км пиля рассеяния

(D2 -D2 А

V = я/ ----------- = 2nl SR =	,

О О I	I	о ср	ср ср 1

t~Y-^- = a\+ai+an^ R4>

D
-----средний радиус.

Vc^^D^ai+a2+anVB-

Й|>п< 2.21 следует, что

д2 _ д 2 ^12 + (ai + а2 )/3
с₽ а12 + а, + а2

(2-65)

(2.66)

I пн как энергия поля рассеяния сосредоточена в объеме поля рассея-
• и । закона полного тока

/.«Л
Но

(2-67)

• «HI

(2.68)

I «и да из (2.61) и (2.62) после подстановки (2.66) и (2.68)

а. +а2
а.2 +——~
.	3

(2-69)

Индуктивное сопротивление короткого замыкания

7,9 /аг/лО,
хк=2л#а=^----

* п

а, +а2
а„ +~------“

.	3

(2.70)

д



	। 1м е размеры выражены в метрах.

I'Hi чет Lo рассмотренным выше способом не всегда применим. Воз-
>нкн грудности, если обмотки располагаются на ферромагнитном
|«Р*н> со сдвигом относительно друг друга или произвольно в про-
fiHII IIIC.

<	><1щим методом определения хк является метод средних геометриче-
расстояний, который предложил К. Максвелл.

<	»нределим среднее геометрическое расстояние g между точкой к и
ппсм S, которые лежат в одной плоскости (рис. 2.22, а). Разбив сече-
Рис. 2.22. Среднее геометрическое
расстояние между точкой и сечением

ние S на т элементарных площади»
определив до каждой площадки
стояние, найдем среднее геометра-»
ское расстояние:

ё=т4гхгЛ...гт (2>

или

lng =—£1ПГК .	(2

т *=i

При т -> оо (2.72) принимает вид

lng = -jlnrrfS. (2.1

S' i

Логарифм среднего геометрического расстояния между сечениями
и S2 (рис. 2.22, б)

lng = -^-JJlnr<®,<®2.

*1*2 S,S2

(2.?

Если сечения S| и S2 являются сечениями обмоток, размещении’
одном стержне трансформатора, то Lo определяется по формуле

г - Ео-ау21п-^_,	(?

2л gtg2

где gu — среднее геометрическое расстояние между сечениями Si и S-,
и g2 — средние геометрические расстояния сечений Si и S2 от самих сеС,
Расстояния g] и g2 получаются, если передвигать dSt и dS2 соотвеп
венно по сечениям Si и S2.

Как показали исследования, среднее геометрическое расстояние (
чения от самого себя может быть найдено по формуле

g = k(b+h),	(2.1

где к = 0,223 и только четвертый знак в к зависит от отношения b/h.

Если считать поле рассеяния плоскопараллельным, метод средн
геометрических расстояний позволяет решить многие задачи, связанна
определением индуктивных сопротивлений рассеяния.

Для определения активной и реактивной составляющих сопи
тивления взаимной индукции z12 = z12 + jxl2 необходимо знать актю
ную 10я и реактивную /Ор составляющие тока холостого хода. Тог
активное г12 и реактивное х)2 сопротивления ветви намагничивания (
рис. 2.8 будут
12 I ’

Ei

*12 =y-
7 Op

(2.77)

(2.78)

Дни определения 70a предварительно рассчитывают потери в стали
«•ш форматора ^pMGM , зная массу ярм и стержней и удельные потери

ей шдипной индукции:

°* тЕ,

(2.79)

I /„ — удельные потери при данной индукции, Вт/кг; GM — масса уча-
••• мпгиитной цепи, для которой принимаются удельные потери.

Для вычисления реактивной составляющей /ор тока холостого хода
«иЛчпдимо предварительно определить реактивную намагничивающую
шипеть ^ppGM , а затем ток:

Т _
4" тЕ

(2.80)

,, — удельная намагничивающая мощность, В-А/кг.

Сличения удельных потерь рк и удельной намагничивающей мощно-
(и /1(1 находят по соответствующим таблицам в зависимости от индукции
Мвд<н о участка магнитопровода.

Если выразить параметры и потери трансформаторов в относи-
ИЫ1ЫХ единицах, то можно отметить, что они изменяются для
•in форматоров в небольшом диапазоне, хотя мощности и действи-
и»ные значения токов, потерь и сопротивлений изменяются на не-
tuiihKO порядков. Так, для трехфазных силовых трансформаторов от
I до 50 000 кВ-А

10, = 0,03-5-0,003; Рс. = Р% = 0,0054-0,0006;

Рэ1. = рэ2« = Ле = 0,025-5-0,0025; хо1. = хо2. = 0,03-5-0,07;

'о. = *0. = ЗЗч-ЗЗО; = г2, = 0,01254-0,00125;	г0. = 5,5-5-65.

•десь более мощным трансформаторам соответствуют меньшие зна-
пя активных сопротивлений и большие значения индуктивных сопро-
 чспий. При применении относительных единиц штрихи у приведен-
пгоричннх величин не ставятся.

В относительных единицах активные сопротивления выражают соот-
III пенно потери в стали и потери в меди:
2.7. Конструкции трансформаторов

Конструктивное исполнение трансформатора зависит от его натипя
ния и области применения. Однако почти все трансформаторы лм
одни и те же главные конструктивные элементы— магнитную систем» (
обмотки.

Наиболее широко применяются силовые трансформаторы, котЛ|М
служат для передачи электрической энергии и распределения ее мг. ।
потребителями.

Активная часть (обмотки с магнитной системой) силового ipm|
форматора общего назначения, как правило, погружена в бак с транс(|н||
маторным маслом. Такие трансформаторы называют маслонаполненный
или масляными (рис. 2.23). Трансформаторное масло, омывая o6moimi(
магнитопровод, улучшает электрическую изоляцию токоведущих чаги
и обеспечивает лучшие условия охлаждения трансформатора.

Работающие на воздухе трансформаторы, активная часть которых d
погружена в масло, называют сухими (рис. 2.24). Сухие трансформа
предназначены для установки в закрытых помещениях с относительна
влажностью не выше 80%.

Обмотки трансформатора состоят из медных или алюминиевых п|н>
водников и изоляционных деталей. Конструкция обмоток должна обссМ
чивать динамическую стойкость при механических воздействиях в п|«*
цессе изготовления и эксплуатации.

Электрическая прочность изоляции обмоток должна обеспечипйи
надежную работу трансформатора при номинальных условиях, a ninfl
при перенапряжениях и кратковременных повышениях напряжения, и<>|
никающих в энергосистемах при коммутации и грозовых явлениях.

Конструкция обмоток должна обеспечивать хороший отвод тепе
чтобы температура обмоток не превышала значения, установлении! 
ГОСТ для данного класса изоляции. При изготовлении обмотки должна
быть технологичными, т.е. простыми в изготовлении и надежными в и.
* hi , 2.23. Однофазный масляный трансформатор ОДЦТРН-175000/400/500

I пинии. Производство обмоток является материалоемким, а трудоем-
«• ii. обмоточно-изоляционных работ составляет 25—30% общей трудо-
I и । и изготовления трансформатора и повышается с ростом напряжения.

< Смотки трансформатора выполняют из медных или алюминиевых
Цып И1ЧЦЫХ проводов.

Ь инструкция обмоток включает изоляционные детали, образующие
• •иую и продольную изоляцию, выводные концы, регулировочные от-
1П1ия, емкостные кольца и экраны, а также приспособления для осе-
1ижки обмоток.
Рис. 2.24. Сухой трансформатор в учеб-

ной лаборатории

Плотность тока в обмш»
выбирают по условиям Hai |м-м >
пределах (1-=-2,5)-106 А/м2 в с\на
и (24-4,5)10® А/м2 в масляны» |
зависимости от мощности и ЯКИ
структивного выполнения ipuui
форматора. По условиям lexim
логии максимальное семгин»
круглого проводника выбирш И
примерно до 20 мм2, а прями
угольного — 80 мм2. Предельна
ток одного проводника — сшч
ветственно 45 и 360 А.

Основным элементом щ
мотки является виток, когоры»
выполняется одним или групи -в

параллельных проводов. Ряд ни
ков на цилиндрической попер»

носги называется слоем. Витки могут группироваться в катушки. По м
правлению намотки обмотки делятся на правые и левые подобно рс и.™
винта. Большинство обмоток трансформаторов выполняются с левой ui<
моткой для удобства изготовления.

Определяющими для конструкции обмотки являются число виш»
сечение витка и класс напряжения.

По способу размещения обмоток на стержне различают обмоше
концентрические и дисковые или чередующиеся (рис. 2.25).

По конструктивно-технологическим признакам обмотки делятся м
следующие основные типы: цилиндрические, винтовые и непрерывны»
Обмотки каждого из этих типов могут подразделяться на одно- или мин

гослойные цилиндриче-
ские, одно- или многохо-
довые винтовые, диско-
вые, переплетенные. В
мощных трансформато-
рах, предназначенных
для питания электропе-
чей, применяют обмотки
из листовой меди или

алюминия, а также кова-
ные катушки, выполнен-
ные из шинной меди или
алюминия.

нн тит
ьн [
нн is

I ГТ Г I 1 I I Г1 ГТ
ПП И] * *
вн ВЖ1
JIJJ [родрОрсП
ПП UHUll

Рис. 2.25. Типы обмоток:

а) концентрические; б) дисковые или чередующие, 1.
НН — обмотки низкого напряжения; ВН — обмен ни
высокого напряжения
Цилиндрические слоевые обмотки выполня-
пл проводов прямоугольного или круглого
PHIHH (рис. 2.26). Слои обмотки составляют
наматываемые по винтовой линии. При
Шинн каждый виток слоя укладывают вплот-
к предыдущему витку в направлении высоты
Анн mi. Переход из слоя в слой осуществляется
• .нщсссе намотки без пайки. Витки состоят из
*нк> или нескольких параллельных проводов,
г«*ношпаемых обычно рядом в осевом направ-
>м|П!

I )днослойными и двухслойными обычно вы-
виимюг обмотки низшего напряжения на напря-
до 690 В в трансформаторах мощностью до
»Ю»11Л.

Многослойные цилиндрические обмотки
фпо.'инют главным образом в качестве обмоток

Рис. 2.26. Цилиндри-
ческая двухслойная
обмотка

•< пито напряжения (до 35 кВ).

II последнее время широкое применение получили многослойные
« чшдрические обмотки из прямоугольного провода. Применение этих
4 нт при использовании специальных экранов позволяет обеспечить
Нын>мерное распределение электрического поля в трансформаторе при

•V иппряжениях.

К (пушечная многослойная цилиндрическая обмотка состоит из ряда
• Д' повательно соединенных многослойных катушек (рис. 2.27). Такое

2.27. Катушечная многослой-
(иииищрическая обмотка

разделение необходимо для уменьше-
ния напряжения между слоями. Обыч-
но катушечные обмотки выполняют в
виде последовательно соединенных
парных (двойных) катушек.

Дисковые катушечные обмотки
состоят из ряда одинарных или двой-
ных катушек (рис. 2.28). Число витков
в одной катушке достигает 20—25,
число параллельных проводников в
витке — до 8. Витки катушки намота-
ны один на другой по спирали в ради-
альном направлении. Намотанные ка-
тушки собирают на шаблоне и соеди-
няют пайкой. Осевые и радиальные
каналы образуются П-образными зам-
ковыми прокладками. Такие обмотки
Рис. 2.28. Дисковая катушка чередующейся об-
мотки из круглого провода

широко применяю h»
ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ 11 1>1 >1
форматорах в качс г
входных катушек.

Непрерывная
ка состоит из ряда kin
шек, расположена.1х

осевом направлении
соединенных между и
бой последовательно г|
пайки. Число катушек

обмотке — от 30 до 150. Витки в катушке наматываются плашмя по < и
ради в радиальном направлении. Катушки наматываются на рейках, ов
зующих вертикальные каналы. На рейки надеваются прокладки, со >дп

щие радиальные каналы между катушками.

Каждый виток обмотки может состоять из одного или несколм

параллельных проводов. Путем перестановки (транспозиции) паралл'-|
ных проводов на переходах из катушки в катушку обеспечивается выр .к
нивание их активного и индуктивного -сопротивлений.

Непрерывность намотки достигается перекладыванием витков и м
тушках (рис. 2.29, а). Переходы осуществляются на уровне крайнем
внутреннего или наружного витка изгибом провода на ребро.

Переплетенная обмотка отличается от непрерывной последованли
ностью расположения витков в обмотке (рис. 2.29, б). Если в непрерм»
ных обмотках последовательность витков 1, 2, 3,... и, то для переплнгн
ных 1 (и/2 + 1); 2 (п/2 + 2); 3 (и/2 + 3);... т (п/2 + т), где п —число Biiikoi
в паре катушек; т — порядковый номер витка.

В переплетенной обмотке разность напряжений между соседним
витками в и/2 раз больше, чем у непрерывной. При этом снижается 

пряжение между соседними
катушками, что позволяет
отказаться от экранирующих
витков и дополнительной
изоляции отдельных кату-
шек. Переплетенные обмот-
ки находят широкое приме-
нение в мощных трансфор-
маторах на напряжения
НО—1200 кВ.

Винтовая обмотка (рис.
2.30) состоит из ряда витков,
наматываемых по винтовой

Рис. 2.29. Расположение витков в непреры»
ных (а) и в переплетенных (б) обмотках
пн. В трансформаторах
пой мощности число па-

•	irjiiHbix проводников мо-
) достигать многих десятков.

новые обмотки бывают од-
лвух- и многоходовыми.

ргходовые и многоходовые

пгки состоят соответствен-

•	и 1 двух или более отдельных

^ципых обмоток, вмотанных

• и другую. Каналы для ох-

• «пения образуются так же,
 и и непрерывной обмотке.

1сли витки, соединенные
ншплельно, находятся на

Личных расстояниях от

Рис. 2.30. Винтовые обмотки:
а — одноходовая, б — двухходовая

I «ня, то они сцеплены с различными потоками рассеяния и в них на-
•>i«i< и разные ЭДС. Параллельные проводники будут иметь различные
ыумивные сопротивления, и токи будут распределяться неравномерно.
9нЯч.1 обеспечить равномерное распределение токов в параллельных вет-
И« ичмотки, необходимо сделать одинаковыми или близкими друг другу
ригивления параллельных ветвей обмотки. Для этого выполняется
। позиция параллельных проводников, образующих виток обмотки,
ini полной транспозиции каждый проводник занимает поочередно все

И1.КСРИЯ, возможные в пределах одного витка. При частичной транспо-

•нни перекладка осуществляется в нескольких местах, и сопротивления
фрппниваются (рис. 2.31).

В трансформаторах и автотрансформаторах большой мощности широко

вменяются транспонированные провода, которые снижают трудоемкость
Липочных работ. Транспонированные провода состоят из параллельных
«ш полированных проводников, изолированных один от другого эмалевой
| иной и имеющих общую изоляцию из кабельной бумаги.

654321

»< 2.31. Схемы час-

лгвввой вранспозиции

В последнее время в качестве проводникового
материала для обмоток применяется алюминиевая
фольга (лента). Удельное сопротивление алюми-
ниевого провода на 64% больше, чем медного. Од-
нако применение алюминиевой фольги позволяет
уменьшить габариты обмоток за счет улучшения
охлаждения обмотки, что достигается равномер-
ным распределением температуры по сечению ка-
тушки. При этом обеспечивается также возмож-
ность механизации процесса намотки обмоток.
1

2

Рис. 2.33. Трехфазныи
стержневой конструкции

1

2

3 4

Рис. 2.32. Однофазный трансфор-
матор стержневой конструкции

Конструкции магнитных систем трансформаторов можно
на два основных типа: стержневые и броневые.

Для силовых трансформаторов применяют преимущественно ма, шн
ные системы стержневого типа. Однофазные стержневые трансформы о|
имеют два стержня 2, несущие обмотки 3, 4, а трехфазные — три стержня
Стержни соединяются верхним и нижним ярмими 1 (рис. 2.32 и 2.33).

 Однофазный броневой трансформатор имеет один стержень 2 и и»
ярма 1, закрывающие (бронирующие) обмотки (рис. 2.34).

Трехфазный броневой трансформатор получается из трех однофазч'.
если их поставить друг на друга (рис. 2.35). При такой конструкции пот<жн я
ярмах равны половине потока в стержнях. Силовые броневые трансформ и»
ры из-за более сложной технологии в России не изготовляются.

В силовых трансформаторах мощностью свыше 100 MB-А и напря
жениями 220 кВ и выше применяют бронестержневую или многостер*
невую конструкцию (рис. 2.36). Эта конструкция получается из стержня
вой, если добавить два стержня, закрывающих обмотки двух фаз, рас и
ложенных на крайних стержнях трехфазного стержневого трансформ я
ра 2.33). По сравнению со стержневыми бронестержневые трансформ "к

Рис. 2.34. Однофазный транс-
форматор броне, ой конструк-
ции

ры имеют меньшую высоту магнитопр.
дов, что очень взжно при транспортир я
ке, так как позволяет им лучше вписаться i
железнодорожные габариты.

По взаимному расположению стер*
ней и ярм магнитные системы могут им< н
плоское и пространственное выполнсшн
(см. рис. 2.11).

В качестве материала магнитной ст
темы используется главным образом
лоднокатаная текстурованная электрете
It* 2.35. Броневой трехфазный

fata форматор:

В, J — обмотки низшего напряжения фаз

1 * г'; Г, 2', 3' — обмотки высшего на-

•. иия фаз А, В, С

1

Рис. 2.36. Трехфазный бронестержне-
вой трансформатор.

7 — ярма; 2 — стержни; 3,4, 5 — обмотки фаз
низшего и высшего напряжений А, В, С

кия сталь марок 3413, 3404, 3405, 3406, которая поставляется на заво-
• | и рулонах. Толщина стали 0,3; 0,35; 0,5 мм. Сталь толщиной 0,3 и 0,35
«•> имеет электроизоляционное нагревостойкое покрытие, а сталь толщи-
м.и 0,5 мм не имеет электроизоляционного покрытия. Применение этой
ЯМИ позволило повысить магнитную индукцию в магнитопроводах си-
трансформаторов до 1,7—1,8 Тл при одновременном уменьшении
•и с ы, потерь и тока холостого хода.

11о способу соединения стержней с ярмами магнитные системы де-
ци я на стыковые, шихтованные и навитые.

II стыковых конструкциях (рис. 2.37) стержни и ярма собираются от-
•к по и крепятся друг с другом стяжными шпильками. В месте стыков
мчгся изоляционные прокладки, которые устраняют замыкание листов
।«in стержней и ярм. Немагнитные зазоры при стыковой конструкции

• шчивают магнитное сопротивление, что приводит к увеличению тока

м юс юго хода. Поэтому стыковые
шпсния применяются редко, хотя
а «иные конструкции менее трудо-
•«•II

II шихтованных конструкциях
и»' 2.38) стержни и ярма не явля-
ем « отдельными элементами, а их
«ми ины переплетаются (шихтуют-
•) и смежных слоях. Магнитная сис-
•ы.< собирается из отдельных слоев,

Рис. 2.37. Магнитопроводы со сты-
ковыми соединениями:
а — однофазный; 6 — трехфазный
		
		
		

Первая позиция

				
				
				

Рис. 2.38. Схемы укладки листов стали
в шихтованных магнитопроводах:
а — однофазном; б— трехфазном

каждый из которых состоит ш
ной или нескольких пластин, у и
женных в слое встык.

По форме стыка шихтован***
магнитные системы могут bi.hiu|
няться с прямым и косым стыкпч-
что необходимо для уменьшим*
длины участков магнитной цепи, к
которых направление магнипни-
потока не совпадает с направленн
прокатки электротехнической г гни*
Уменьшение зоны повышенных ii<
терь и намагничивающей мощшн F
в углах магнитной системы с ко<
стыком (рис. 2.39) позволяет сшпиц

потери и ток холостого хода.

Форма поперечного сечения стержня определяется формой обыщи
Так как обмотки силовых трансформаторов имеют цилиндрическук <|и|
му, поперечное сечение стержня стремятся приблизить к кругу. Им
сложности набора круглого сечения стержень выполняют ступен'чИ
формы, набирая каждую ступень нч пластин одинаковой ширины (|н*
2.40). С увеличением диаметра стержней d увеличивают число ступснм
число которых в мощных трансформаторах достигает 15 и более Ч
больше ступеней, тем больше в стержне пакетов, тем больше типори и*-
ров листов стали, необходимых для изготовления магнитопровода трин»
форматора. Сечение стержня трансформатора определяет диаметр обм»
ки Z>8, поэтому необходимо стремиться к лучшему заполнению сечсцад
стержня сталью. Использование сечения характеризуется коэффициент
использования

л^/4

(211

где SCT — сечение стали стержня; £>вт — внутренний диаметр наибопм
близкой к стержню обмотки (рис. 2.40).

Коэффициент использования зависит от числа каналов и ступеней •
коэффициента заполнения пакетов сталью, кИ = 0,65-:-0,92. Если чт к*

ступеней равно числу листов
стали, из которых собран
стержень, можно говорить о
том, что сечение стержня
приближается к площади

круга, а кИ = 0,95-5-0,96. В Рис. 2.39. Косой стык
>>•»« педнее время такие
,жни стали изготовлять,
• пользуя специальные ав-
(«йты для резки стали.

Сечение ярма трансфор-
•»iupa для упрощения тех-
•шогии выполняют с мень-
шим числом ступеней. Для
Пптп>шения тока холостого
(инк сечение ярма прини-
на 10—15% больше
«вчсция стержня.

Стяжка пакетов стерж-
«• П трансформаторов малой

Рис. 2.40. Сечение стержней магнитопровода
трансформатора:

а — из пластин двух профилей; б — из пяти профилей

| iредней мощностей осуществляется изоляционными цилиндрами, на
ынорых крепится обмотка низшего напряжения. Цилиндр спрессовывает
«кржень с помощью деревянных или пластмассовых планок и реек.
I । «жка стержней в трансформаторах выполняется шпильками, изолиро-
• •чпыми от стали и не создающими короткозамкнутых контуров. В по-
моднее время широко применяется бандажировка стержней прочной
нхогтмассовой лентой или стеклолентой. Такое крепление снижает тру-
||н'мкость изготовления и уменьшает добавочные потери. Стяжка ярма
»ущсствляется деревянными или стальными балками.

Стержни 7 и ярмо 2 вместе с прессующими деталями (3 — балка, 4 —
Шпилька) образуют остов трансформатора (рис. 2.41).

Гис. 2.41. Остов трансформатора
Рис. 2.42. Магнитные системы микротрансфор-
маторов

Шихтованные кин* i
рукции при сборке ц>ул»
емки, так как сначала i,»
бирается магнитопропи*
а затем расшихтовывагм

одно ярмо, надеваю гс и ч
стержни обмотки и сном
зашихтовывается ярмо
Стыковые конструкцш
проще при сборке, один»*

ток холостого хода >
трансформаторов с такт»
магнитопроводами больни
чем у бесстыковых кони
рукций.

Конструкции мании

ных систем трансформ)

торов

малой мощно! in

выполняются таким о(>р»

зом, чтобы обеспечить наиболее экономичный и простой способ их инь
товления. Одним из распространенных-способов изготовления магни i т.н
систем таких трансформаторов является способ машинной навивки ui

ленточной электротехнической стали или стали специальных сплавов.

Витые сердечники позволяют автоматизировать изготовление гран
форматоров, использовать преимущества холоднокатаных сталей. Хон

навитых сердечниках и нет стыковых соединений, магнитный поток i

реходит из одного слоя в другой и магнитное сопротивление витого < г|
дечника определяется натягом ленты при намотке. На рис. 2.42, и
представлены наиболее распространенные конструкции магнитных г и<
тем трансформаторов малой мощности. На рис. 2.42, а дана шихтований»
конструкция однофазного трансформатора с магнитопроводом 2, имею
щим в среднем стержне просечку. Листы стержня отгибаются и встаил»
ются в катушку 1 с обмотками высшего и низшего напряжений. Так»»
конструкция технологична и находит достаточно широкое применении
На рис. 2.42, б—г представлены витые сердечники трансформаторов м
лой мощности (рис. 2.42, бив — сердечники однофазных трансформа hi
ров, 2.42, г — трехфазного).

Важными элементами конструкции активной части трансформаKip*
являются отводы и вводы. Соединение концов обмоток между собой и г
вводами, подключение регулировочных ответвлений к переключателям и
другие соединения внутри трансформатора осуществляются с помощы,
проводников, называемых отводами, которые выполняются в виде шик,
3

г». J.43. Общий ввд трансформатора мощностью 100 кВ А и напряжением 6 кВ

ян нов или гибкого кабеля. Для вывода концов обмоток и подключения
t tn< ктрической сети служат вводы — фарфоровые проходные изолято-
t’i< рез внутреннюю полость которых проходит токоведущий стержень.

ПП1ЯЯ конфигурация и размеры вводов зависят от класса напряжения,
Г* установки и тока (см. рис. 2.1 и 2.23). Ввод должен обеспечить надеж-
ю и юляцию токоведущего стержня от заземленных элементов (рис. 2.43).

1>ик трансформатора с масляным охлаждением представляет собой
С рнуар с маслом, в котором находится активная часть трансформатора.

ip гое при работе трансформатора масло охлаждается через стенки
бака и охлаждающие устройства. Форма баков чаще всего овальная
тогда она приближается к форме активной части трансформатора и яши
ется наиболее простой и механически прочной.

С изменением электрической нагрузки и температуры окружающий
воздуха температура масла в трансформаторе изменяется. Колебания
температуры вызывают изменение объема масла в баке. Чтобы Ояя
трансформатора всегда был заполнен маслом, на трансформаторах кл.к  ।
6 кВ и выше мощностью 25 кВ-A и более устанавливают расширитель.

Расширитель 1 (см. рис. 2.43) представляет собой металлический с<»
суд, обычно цилиндрической формы, сообщающийся с баком трансфер
матора. Емкость расширителя должна обеспечивать постоянное наличие я
нем масла при всех режимах работы трансформатора. Расширитель щ»
дохраняет масло трансформатора от непосредственного соприкосновения
с воздухом, что защищает масло от преждевременного окисления. Суш-
ствуют герметизированные трансформаторы с азотной защитой мае ни
которых пространство между зеркалом масла и верхней стенкой расиш
ригеля заполнено азотом.

Современный силовой трансформатор снабжен рядом вспомогатеш.
ных устройств, обеспечивающих его нормальную эксплуатацию и преду-
преждающих аварии. Эти устройства показаны на рис. 2.43. Между бая>м
и расширителем на соединяющей их трубе устанавливается газовое реле
2, которое срабатывает при всех видах внутренних повреждений в трат
форматоре, сопровождающихся выделением газов, при утечке масла
попадании воздуха в бак.

При серьезной аварии, когда отключение трансформатора почемз
либо запоздало, в баке может развиться значительное давление, способ
ное разорвать его. Для предотвращения такой возможности на крыпп 
трансформатора устанавливается выхлопная труба 3, через которую им
брасываются избыточные массы газов и масла. Отверстие выхлоппоП
трубы закрыто стеклянным диском (мембраной), которая лопается при
резком повышении давления.

2.8.	Схемы и группы соединений

Понятие о схемах и группах соединений имеет важное значение при
эксплуатации трансформаторов.

В однофазных трансформаторах начала обмоток обозначаются А,я. и
концы X, х. Большие буквы относятся к обмоткам высшего напряжения, п
малые — к обмоткам низшего напряжения.

В трехфазных трансформаторах начала обмоток высшего напряжс
ния обозначаются А, В, С, а концы X, Y, Z. Начала обмоток низшего пл
168
f и дения — а, b, с, а концы — х, у, z. Нулевые точки — Ойо. Если есть
Г1ья обмотка среднего напряжения, используются обозначения Ат, Вт,
11 ГП9 Ат.

Если на одном стержне намотать правовинтовую и левовинтовую
Смотки, а начала и концы принимать у них одинаковыми, то ЭДС кату-
«к« будут сдвинуты на 180°. Естественно, при изменении маркировки —
№|п мене обозначений начала и концов обмоток— ЭДС в катушках не
вменяются. Чтобы соединить катушки с правой и левой намотками па-
J*(дельно, надо соединить начала и концы обмоток, т.е. и х2, а2 и X].
iljiii условии равенства витков, когда ЁХ=Ё2, токи в катушках будут
ртнны нулю. Если в этом случае соединить начала и концы обмоток, то в
^мотках будет протекать ток, определяемый ЭДС, равной 2£,, и суммой
•виротивлений обмоток.

При включении трансформаторов на параллельную работу удобно
(М1Д1!нять начала обмоток одного трансформатора с началом обмоток
f VI от о и стандартизовать обозначения.

Чтобы не было ошибок при эксплуатации трансформаторов, введено
iMitiM гие сдвига между напряжениями первичной и вторичной обмоток.

I [ринято сдвиг фаз между линейными напряжениями обмоток харак-
теризовать положением стрелок на циферблате часов. Электродвижущую
iMuy обмотки высшего напряжения совмещают с минутной стрелкой и
< ишавливают на цифре 12. Часовая (малая) стрелка совмещается с на-
падением обмотки низшего напряжения.

Для однофазных трансформаторов возможны две группы соединений:
ц^лдтя и шестая (рис. 2.44). Для нулевой (или двенадцатой) сдвиг между
напряжениями равен 0° — минутная и часовая стрелки совпадают (рис.
I II. а). Для шестой группы сдвиг между напряжениями 180°, стрелки
Впитывают 6 ч (рис. 2.44, б). Эти группы обозначаются соответственно
II 0 и I/I—6. Стандартизо-
•<иш и применяется группа 0.

В трехфазных и много-
фошых трансформаторах воз-
•«••♦иы ббльшие комбинации
iUi'mhok, и поэтому рассмат-
риваются схемы соединения
яЛмоюк. Наибольшее при-
чинение имеют схемы со-
• ишсиия в звезду и тре-
|1«>|п.11ик (рис. 2.45).

Схема соединения в
•♦и пн применяется редко

Рис. 2.44. Группы соединений однофазных
трансформаторов
Рис. 2.45. Схемы и векторные диаграммы со-
единения обмоток:
а — звезда; б — треугольник

(рис. 2.46), а другие коми»
нации соединений обмою»
практически не применяю иа

Схема соединения «
звезду обозначается букшт
Y, соединения в треукмн.
ник — Л, в зигзаг — Z.

В соединениях в звезду
и зигзаг можно вывести щ
левую точку. В этом случи,
получаются соединения и
звезду с нулевой точкой и и
зигзаг с нулевой точкой.

Для многофазных трпш
форматоров остаются эти ж-

принципы соединения обмо
ток. Например, д ля пятифазной системы схемами соединения будут пяти<|»п
ная звезда и пятиугольник (рис. 2.47, а, б), для /и-фазной системы — т-фазнм

звезда и /«-угольник.

В трехфазной системе схемы соединений Y и А образуют 12 групп
соединений со сдвигом фаз линейных напряжений на 30°, что соотвен i
вует 12 цифрам циферблата часов.

Стандартизованы две группы соединений Y/Y—0 и Y/A—11 (pin
2.48) со сдвигом фаз 0° и 330°. В эксплуатации вполне достаточно имен,
две группы соединений и не выпускать 10 остальных групп.

Изучая трансформаторы, необходимо иметь представление о юм.
как получаются другие группы соединений. Из групп 0 и 11 переменен
начал и концов нетрудно получить группы 6 и 5.

Группы 0, 6 и 11, 5 — основные. Из них круговой перестановкой нм
водов получаются еще по три группы: из группы 0 образуются группы -I и
8; из 6 — 10 и 2; из 11 — 3 и 7; из 5 — 9 и 1.

Рис. 2.46. Схема и векторная диа- Рис. 2.47. Пятиугольная звезда (а), па
грамма соединения в зигзаг	тиугольник (б)
В табл. 2.1 представлены схемы
 динений и круговые перестановки
I подов обмоток для всех 12 групп
синений.

Опытным путем группа соеди-
< иия определяется следующим об-
(мк>м. Соединяют одноименные вы-
ды обмоток высшего и низшего
^ряжений, например А и а. При-
| диняют трансформатор к сети с
нмметрг иным напряжением и изме-
ни г напряжения между выводами
ipiin форматора. По измеренным
ряжениям строят векторную диа-
Нвмму, которая должна совпасть с
Мной из диаграмм табл. 2.1. После
•иио определяют группу соединения
..исформатора.

Рис. 2.48. Группы соединений трех-
фазных трансформаторов «О» и «11»

Таблица 2.1

i	Угловое смещение ЭДС	Векторная диаграмма линейных ЭДС	Схема соединения и обозначения выводов				
						A/Z	
0	0°	в  а с	г	да  Ь с да		ffi	
4	120°	В А/\Г al *	схема та же	схема та же		схема та же	
			А о Во Со а о Ьо со				
8	240°	В а	схема I  J щ t	схема та же		схема та же	
			Ло Во Со Ьо СО ао				
0	180°	В с л А \/а с ь	АВС  Ltl	АВС  №1 и		АВС  01	
К)	300°		схема та же	схема та же		схема та же	
			Ао Во Со со ао Ьо				
		а я					
2	60°		схема 1  та же 1	схема та же		схема та же	
			Ао ВО Со Ьо СО ао				

С К	Угловое смещение ЭДС	Векторная диаграмма линейных ЭДС		Схема соединения и обозначения выводов		
£				Y/A		Y/Z
11	330°	в  Л с		(й	“(11	ЙТ
	90°	i		схема та же	схема та же	схема та же
3			у	At Ct	Во Ct аО bt	
	210°	%а/\		схема та же	схема та же	схема
7				Ао Во Ct ЬО со а<		>
5	150°	в  4		АВС ш		А В С
				м	Ж	
	270°	аА с		схема та же	схема та же	схема та же
9				Ао Во Со со ао ЬО		
	30°	и.  ‘3^ и		схема та же	схема та же	схема та же
1				At ЬС	Во Сс  СО ас	
Схема соединения в зигзаг дает возможность получить любую схему
соединения, т.е. любой угол между напряжениями. Как видно из ри<
2.46, угол между векторами высшего и низшего напряжений зависит <н
соотношения чисел витков обмоток, соединенных последовательно и
расположенных на разных стержнях. Это преимущество схемы в зигии
используется в специальных схемах, когда требуется получить промежу
точные электрические углы между напряжениями, меньше 30°.

2.9.	Особенности работы насыщенных
однофазных и трехфазных трансформаторов

Процессами, происходящими в электротехнической стали в постояи
ных и переменных магнитных полях, занимаются специалисты в области
физики твердого тела. Электромехаников интересуют интегральные эф
фекты сложных событий в доменных структурах стали — потери, реак
тивная мощность, характеристики намагничивания, влияние механичс
ской обработки и другие показатели.

Основной характеристикой электротехнической стали является ма|
нитная характеристика (рис. 2.49). Магнитная характеристика снимаете*
на постоянном токе. При этом потери в стали отсутствуют, поэтому они
соответствует мгновенным значениям потока и реактивной составляющей
намагничивающего тока при снятии характеристики намагничивания ни
переменном токе.

Между потоками и реактивной составляющей тока намагничивания
существует нелинейная связь, определяемая сортом стали, размерами и
конструкцией магнитной системы, частотой и температурой. Поэтому

Рис. 2.49. Магнитная характерис-
тика электротехнической стали

снятая в опыте холостого хода характс
ристика трансформатора дает возмож
ность в полной мере судить о магнит
ных свойствах магнитной системы.

При проектировании используются
снятые экспериментально зависимости
удельных потерь и удельной намагпи
чивающей мощности от индукции и
частоты. Удельные потери в стали ха
растеризуют потери в ваттах на 1 ki
массы магнитопровода, а удельная на
магничивающая мощность — это реак
тивная мощность в вольт-амперах на 1 кт
массы. Обычно в таблицах дается также
цельная намагничивающая мощность стыковых
11 единений ярма и стержня трансформатора.

Магнитная характеристика снимается экспе-
риментально или рассчитывается. Она прибли-
женно может быть выражена аналитически.

Точного аналитического описания магнит-
ам характеристика не имеет. Существуют десят-
ш приближенных математических описаний
магнитной характеристики, т.е. зависимости маг-
нитного потока от реактивной составляющей
гока намагничивания:

Рис. 2.50. К аналитичес-
кому описанию магнит-
ной характеристики

iQr=a<t> + b&\	(2.82)

где а, b и показатель степени Р могут быть найдены по двум точкам ха-
рактеристики и начальному наклону характеристики (рис. 2.50).

Характеристики намагничивания в каждом цикле перемагничивания
отличаются друг от друга. Восходящая и нисходящая ветви характери-
Ггики В =fiH) не совпадают (см. рис. 2.49). Площадь петли характеристи-
ки В = fiH) характеризует потери на перемагничивание, т.е. потери на
гистерезис. При снятии напряжения с трансформатора остается остаточ-
ное поле Фост, которое влияет на будущий процесс включения трансфор-

матора.

При проектировании трансформаторов и электрических машин рас-
четную индукцию выбирают на колене характеристики намагничивания.
' но обеспечивает снижение массы и стоимости трансформатора. Насы-
щение магнитной системы вызывает ряд особенностей в работе транс-

арматоров.

Рассмотрим нелинейный однофазный трансформатор. Если к его
первичной обмотке приложено синусои-

Рис. 2.51. К вопросу появле-

ния высших гармоник в на-
магничивающем токе

дальное напряжение, поток в магниттопро-
воде будет синусоидальным, а намагничи-
вающий ток— несинусоидальным (рис. 2.51).
В насыщенном трансформаторе при сину-
соидальном токе несинусоидален поток. В
общем случае в насыщенном трансформа-
торе несинусоидальны поток и намагничи-
вающий ток.

Из-за нелинейности магнитной харак-
теристики в реактивной составляющей тока

холостого хода появляются высшие гармо-

ники. Если в потоке отсутствует постоянная
составляющая, в намагничивающем токе
Рис. 2.52. Возможный вид кривых намаг-
ничивания

будут только нечетные гармони»#
Наибольшую амплитуду им.....

3-я и 5-я гармоники, которые >-.
зывают значительное влияние и
работу трансформатора.

Амплитуды высших гарм-
ник магнитного поля транс<|нф
матора определяются нелиие
ностью характеристики намин
ничивания (рис. 2.52). Ин
большие амплитуды вт инн
гармоник дают прямоугольны-
характеристики В = fiH) (пр«

мые 1 и 2). При прямоугольных характеристиках амплитуда 3-й гармони

ки достигает 30% 1-й, а 5-я — 20%.

Магнитные характеристики электротехнических сталей лежат меж |
прямоугольной харак-еоистикой 1 и линейной характеристикой 3. ( nui«
с магнитной характеристикой 3 для силовых трансформаторов не прим#
няются. Такой вид магнитные характеристики имеют в слабых полях. 11|
прямолинейном изменении В = fiH), когда трансформатор ненасытен
амплитуды высших гармоник равны нулю (прямая 3). При промежуин
ном характере кривых намагничивания (4—7 амплитуды гармоник >я
равны 0 и не превышают соответственна значений для прямоугольна
характеристики намагничивания.

При наличии в потоке постоянной составляющей в намагничипш»

щем токе или потоке наряд;' с нечет-
ными спектрами появляются спектры
четных гармоник.

В многофазных трансформаторах
нелинейность кривой намагничивания
вносит свои особенности в работу
трансформатора. Рассмотрим трехфаз-
ную группу однофазных трансформато-
ров с соединением обмоток по схеме
звезда — звезда (см. рис. 2.10). К пер-
вичной обмотке каждого трансформа-
тора подводится синусоидальное ли-
нейное напряжение, поэтому можно
рассматривать работу каждого одно-
фазного трансформатора отдельно.

При соединении обмоток в звез-
ду 3-и гармоники намагничивающего

Рис. 2.53. Кривые ЭДС в насыпан
ном трансформаторе при синус»I
дальних намагничивающих токах
M> । по обмоткам транс-
форматора замыкаться не
Ь у 1. Поэтому потоки в
«иофазных трансформа-
»-||нк будут несинусои-
•им1ыми и, следователь-

>ДС и фазные напря-
»«ния будут несинусои-
а»>)Ы11.1ми (рис. 2.53). На-
wiitc в потоке и ЭДС

Рис. 2.54. Кошуры 3-й гармоники в схеме Y/Yo

м > ших гармоник приводит к увеличению амплитудного значения фазно-
to и пряжения. Это является нежелательным, особенно в высоковольт-
totI трансформаторах, так как приводит при проектировании трансфор-
•>|)ов к увеличению толщины изоляции. Увеличение амплитуды потока

i-ниодит также к увеличению потерь в стали.

Соединение звезда — звезда с нулевым проводом обеспечивает про-
w*»mie токов 3-й гармоники в нулевом проводе, поэтому потоки и фаз-
напряжения однофазных трансформаторов в этой схеме синусои-
Xi.iu.ie.

1оки 3-й гармоники, замыкаясь через емкости, имеющиеся между
(Днищами линии передачи и землей, создают помехи для линии связи.
» и нагрузка также имеет заземленную нейтраль, то токи 3-й гармоники,
Доходя по земле, могут оказывать вредное влияние на металлические
tolh'Miibie сооружения, вызывая их усиленную коррозию (рис. 2.54).

Схема соединения звезда — треугольник имеет преимущество перед
I ««мами звезда — звезда. Токи 3-й гармоники замыкаются внутри тре-
|(О1н.ника, поэтому потоки и фазные напряжения в схеме трансформатора
VAсинусоидальны.

II зависимости от того, откуда поступает реактивная мощность — со
* «оропы обмоток, соединенных в звезду, или со стороны обмоток, соеди-
Р*нн.1Х в треугольник, реактивный ток имеет различную форму.

Когда к сети подключена обмотка трансформатора, соединенная в
ц» , । ольник, магнитное поле в трансформаторе создается только со сто-
Й»м первичной обмотки (намагничивающий ток l-й и 3-й гармоник про-
вис  в обмотке, соединенной в треугольник, рис. 2.55, а).

1(ри питании насыщенного трансформатора со стороны звезды реак-
..инн мощность по 1-й гармонике поступает со стороны первичной об-
еих и, а со стороны вторичной обмотки создается магнитное поле 3-й
 ионики (рис. 2.55, б). Как активные токи в первичной и вторичной
«>»«>|ках сдвинуты на электрический угол, равный примерно 180°, так и
шт ничивающий ток 3-й гармоники сдвинут на электрический угол
В при питании трансформатора со стороны треугольника и звезды.
Рис. 2.55. Формы намагничивающего тока в схеме
соединения звезда—треугольник:

а — при питании трансформатора реактивным током со
стороны треугольника; б — при питании со стороны
звезды

Процессы нам;п ни
чивания в трансформп
торе были рассмотрит
без учета вихревых к»
ков в магнитопроподь
Это вполне допустим»
так как сопротивление
стали велико и влиянием
вихревых токов моли»
пренебречь.

Для того чтобы ж*
ток в трансфорь лор»
был синусоидальным, и*
обходимо создать коп

тур, в котором будут замыкаться токи 3-й гармоники. В трехфазных двух
и трехобмоточных трансформаторах 3-я гармоника может замыкаться я
одной из обмоток, соединенной в треугольник. В современных траш
форматорах и автотрансформаторах классов напряжений ПО, 150, 2*()
330 и 500 кВ одна из обмоток обязательно соединяется в треуголь"1
Соединение в треугольник одной из обмоток применяется в трансформп
торах класса напряжения 35 кВ при мощности 4000 кВ А и выше.

Конструкция трансформаторов сказывается на особенностях pafxiiw
трансформаторов. Так, в трехфазном трехстержневом трансформа,о»
поток 3-й гармоники замыкается по воздуху и по стенкам бака. В брон,
вом трансформаторе поток 3-й гармоники замыкается по стали. В трех
фазной группе однофазных трансформаторов потоки 3-й гармоники таи
же замыкаются по стали. В броневом трансформаторе и в трехфа он
группе однофазных трансформаторов индуктивное сопротивление 3 п
армоники большое, что ограничивает ток 3-й гармоники.

В многофазных системах обмотки могут быть соединены в мною
фазную звезду и многоугольник. Например, для пятифазной системы мн
жет быть соединение обмоток в пятифазную звезду и пятиугольник (см
рис. 2.47). В пятифазной системе особое положение занимает 5-я гарм»
ника — она может замыкаться в пятиугольнике и сумма токов 5-й гарм»
ники будет равна нулю. При этом 3-я гармоника в пятифазной системе и
компенсируется. В шестифазной системе преимущественное положепш
имеет 6-я гармоника, а в многофазной системе —т-я гармоника.

Насыщенный трансформатор в отличие от ненасыщенного явля
ется генератором высших гармоник. Наибольшее влияние на рабгп
трансформаторов оказывают гармоники с частотами 3/, 5/, 7/ и т.д.
Эти гармоники являются источниками добавочных потерь и шума и
трансформаторах.
Добавочные потери в насыщенных трансформаторах возникают из-за
•отекания токов высших гармоник по обмоткам, соединенным в тре-
< ольник или звезду с нулевым проводом. Добавочные потери имеют ме-
ло также вследствие увеличения потерь в стали. Высшие гармоники по-
«>ка являются причиной добавочных потерь в стали. Хотя амплитуды
•токов высших гармоник небольшие, из-за высокой частоты перемагни-
чивания эти потери могут оказывать заметное влияние на нагрев транс-
форматора.

Уровень шума в трансформаторах связан с магнитострикционными
плеваниями. Максимум магнитострикционных колебаний лежит в рай-
«не частоты 100 Гц. Магнитный шум увеличивается с насыщением. Уве-
личение шума обычно связано также с некачественной шихтовкой стали и
креплением основных и вспомогательных частей трансформатора.

2.10.	Характеристики трансформаторов

Характеристиками трансформатора, наряду с характеристиками хо-
носгого хода и короткого замыкания, являются внешние характеристики
и зависимость КПД от нагрузки.

Внешней характеристикой трансформатора называется зависимость
напряжения на вторичной обмотке от нагрузки U2-fijz) или U2 =/(₽), гДе

|1«—— при различных значениях cos<p2 и неизменных первичном на-
Аном

пряжении и частоте сети (рис. 2.56).

В силовых трансформаторах ток холостого хода невелик, поэтому при
определении изменения вторичного напряжения пользуются упрощенной
। ксмой замещения трансформатора, считая, что его внутреннее сопротивле-
ние определяется сопротивлением короткого замыкания zK = гк + jxK.

Для определения процентного изменения к юричного напряжения  =	100% =  ,	^20  |	^Лмом  (	(2.83)	cos <р--0.7(емк.)  COS ф2= 1 cos <р2= 0,7(инд.)  0,5-  0	0,5	1,0	/2>р  Рис. 2.56. Внешние характеристики трансформа- тора  177
следует обратиться кущ
щенной схеме заменим
(рис. 2.57, а) и веккции
диаграмме (рис. 2.57, М

Чтобы определи!
Аи%, проведем некой
рые простые перес ipu
ния и часть вектории
диаграммы рис. 2,5/,
изобразим в увеличкн
ном масштабе (pin
2.58). Из рис. 2.58

Рис. 2.57. Схема замещения (а) и векторная диа- ди _ ^Тном С2
грамма (б), по которым определяется Ди%	171ном

= 1-7^- = 1-771-(Мм-СВ2 -Я/)) .	(2И4

{-'1НОМ	{-1Н0М

CD	AD

Обозначив п =------ и т =------, получим

U	IJ

'"Чном	<“у1ном

Дн = 1—(Vl-и2 -m).	(2.И

/ Г и2

Заменив "v 1 - и »1---, найдем

2

2	2

Аи = 1-1 +— + т = т +—,	(2 Кп

2	2

откуда

, (u„_ cost», — и. „ sintp,)2

Au = P(u, K cosq>2 + ufK sm<p2) + p —*--------------. (2.8/)

Треугольник AC В на векторной диаграм-
ме — треугольник короткого’замыкания. Его
катет ВС характеризует реактивную состав-
ляющую напряжения короткого замыкания ир к, а
катет АВ — активную составляющую иа,к-

Обычно в (2.87) пренебрегают вторым
членом и определяют процентное изменение
вторичного напряжения от коэффициента на-
грузки р или от отношения текущего значения

- Рг

мощности к номинальной —— по формуле
^2 ном

Рис. 2.58. BcnoMoraiein.
ные построения для опрс
деления Ди
 - р(н, к coscp2 + ир к sin<p2).

(2.88)

Как следует из (2.88), Aw
квделяется значением р и
йр«ктером нагрузки ( cos<p2),
I гпкже напряжением корот-
I» о замыкания — его актив-

и реактивной wp i( со-

'».К

'«пляющими. При активно-
костной нагрузке из-за уве-
<>’к ния реактивной мощно-
|м при увеличении тока Z2
•пряжение на вторичной об-
лике растет. Из-за падения
«•пряжения на внутреннем
.|рогивлении zK напряжение
надает при активной и ак-
тино-индуктивной нагрузках.

На рис. 2.59 представлена

Рис. 2.59. Зависимость Ди = /(cos<p2) при токе
нагрузки, равном номинальному

«•жимость Aw от cos<p2 при неизменном токе нагрузки, равном 1ЖМ. Для
Ии.игпня поля в трансформаторе необходима реактивная мощность. Эта
• «шесть по упрощенной схеме замещения определяется реактивным сопро-
Ъмтшем рассеяния трансформатора хк. При активно-емкостной нагрузке
Епивная мощность для создания поля трансформатора может забираться от
рузки. При увеличении емкости в нагрузке реактивная мощность расходу-
»<•я на создание поля в трансформаторе и избыток ее отдается в первичную
• н- При этом растет ЭДС £, = Е'г, что приводит к перевозбуждению
в. форматора, т.ё. к возрастанию потока и увеличению напряжения и.

Коэффициент полезного действия трансформатора показывает соот-
шение между мощностью, которая передается из первичной обмотки
игоричную и обратно, и мощностью, которая преобразуется в тепло.

>фициент полезного действия определяется по формуле

р Ур

Т] =--?--= ]--------

(2.89)

—сумма потерь в трансформаторе; Р2 — текущее значение

мощности вторичной обмотки.

Мощность во вторичной обмотке

Рг = mU2I2 cos<p2 = РР2НОМ cos<p2,

(2.90)
где Р2ном — номинальное значение мощности трансформатора пр
cos<p2 = 1; Р — коэффициент загрузки.

ГОСТ рекомендует определять КПД по следующей формуле:

Р +Р2Р

__ |_______Х.НОМ н ж, ном______ ^2 <)

Р^ном COS<P2 + Рк ном + Р2/^^ ’

где Рх ном — потери холостого хода при номинальном напряжении и ч
тоте; Рк-ном —потери короткого замыкания при номинальном токе.

Потери короткого замыкания состоят из основных потерь в мега.1

обмоток (потерь в меди), потерь в токоведущих частях (отводах),

а также и

добавочных потерь, вызванных полем рассеяния в металле обмоток и фгг

ромагнитных частях конструкции трансформатора — стенках бака, про
сующих болтах и других конструктивных частях трансформатора. Эти ди
бавочные потери в сумме могут достигать у трансформаторов мощное i ».и>
100 000 кВ А и более 20—25% полных потерь короткого замыкания.

Зависимость КПД от нагрузки представлена на рис. 2.60. Как видш
из зависимости Г] = /ф), эта кривая имеет максимум, который можно

dr)
определить, приравняв —1 нулю.

Коэффициент полезного действия имеет максимум, когда потери хи
лостого хода равны потерям в меди: Рхном = р2^ном, т.е. при равенс iif
постоянных потерь Рхиом, не зависящих от нагрузки, — переменным пи
терям — потерям в меди в трансформаторе р2 РК1тл.

Из равенства потерь холостого хода (потерь в стали) и потерь в меди

следует, что

Р„.

Р

х,ном

р

К, НОМ

(2 о >!

При проектировании трансформаторов можно изменять соотношешн’

Рис. 2.60. Зависимость КПД от нагрузки
при неизменном cos <р2

между потерями в меди и с in
ли, т.е. соотношение меж>
массами меди и стали.

Силовые масляные траш
форматоры рассчитывают
таким образом, чтобы

(2.411

Поэтому КПД имеет мак
симум при нагрузке 0,5—0,7
шпальной (рис. 2.60). Таким образом, выбор максимума в кривой КПД
••шит от расчетчика. Обычно трансформаторы в энергосистеме работа-
01 I некоторой недогрузкой—в области максимального значения КПД

Чтобы сдвинуть максимум КПД в область номинальной нагрузки или
« и. максимум КПД при перегрузках, надо заложить больше меди в его
- отки, т.е. уменьшить плотность тока в обмотках. Такой трансформа-
естественно, будет более дорогим.

При передаче реактивной мощности — уменьшении cos<p2 —
•«•ныпается КПД (рис. 2.60), что следует из (2.91).

Как правило, трансформаторы неравномерно загружены в течение
Мок и в течение года, так как потребление электрической энергии зна-
|*| льно изменяется вечером и ночью, а также в летнее время и в период
• 'ине-зимнего максимума. Поэтому для оценки использования транс-
М>ми горов в энергосистемах иногда говорят о годовом КПД который
||н'дсляется отношением отданной во вторичную сеть энергии в течение
к энергии, полученной из сети.

2.11.	Параллельная работа трансформаторов

Один мощный трансформатор делать выгоднее, чем несколько
»|*ое<})орматоров на ту же суммарную мощность. В мощном трансформа-
<рг меньше расход активных материалов и выше энергетические показа-
• щ. Однако часто в энергетических установках необходимо включать
сколько трансформаторов на параллельную работу. При этом легче
рпшстся проблема резервирования энергоснабжения потребителей, уп-
рнцпется организация ремонтных работ, при недогрузках можно отклю-
•нп. часть трансформаторов. На крупных распределительных установках
•ним да нельзя установить один трансформатор, так как предельная мош-
им । *•, на которую может быть построен трансформатор, меньше мощно-
IH распределительной подстанции.

При параллельной работе трансформаторов как первичные, так и
•юричные обмотки подключены к общим шинам. Эквивалентная схема

имсщения трех параллельно включенных
триш-форматоров показана на рис. 2.61. Следу-
• I 01 метить, что схема подключения трансфор-
KaiopoB 7|—Т3 к генераторам Gi—G3, показан-
М« на рис. 2.62, прямого отношения к парал-
• М1.Н0Й работе трансформаторов не имеет.

При включении трансформаторов на па-
(ип цельную работу необходимо для лучшего

Рис. 2.61. Схема парал-
лельной работы транс-
форматоров
I7i

Т1

Т3

Рис. 2.62. Схема рабо-
ты генераторов на об-
щие шины

6 , fcr

использования установленной мощности о(ч< к»
нить распределение нагрузки пропорциоишик
мощности трансформаторов, а при холостом
не должно быть уравнительных токов. При ими*
чении на параллельную работу трансформации
одинаковой мощности эти условия легко hi.

няются. Но на практике на параллельную рпощ|
включаются и трансформаторы, имеющие нсоли
паковые номинальные мощности.

При параллельной работе трансформа юр •

необходимо, чтобы напряжения на первичных и вторичных обмотках Ам
ли одинаковыми и, как следствие коэффициенты трансформации р.нищ
друг другу. На параллельную работу включаются трансформации
имеющие одинаковые группы соединений, что исключает появлсш»
уравнительных токов.

Если у трансформаторов, включенных параллельно, коэффициент]
трансформации несколько отличаются друг от друга из-за различия ' >Д<
в обмотках трансформаторов будут протекать уравнительные токи. Ди
пускается включение на параллельную работу трансформаторов с ко 4 I
фициентами трансформации, отличающимися не более чем на 1%. Пр I
этих условиях уравнительные токи будут незначительными.

Если включить на параллельную работу трансформаторы групп 0 и 11 |
то из-за сдвига фаз между Ё, и Ё2, равного 30°, появится ДЁ (рис. 2.63):

ДЁ = 2£j sin 15° « 0,5 £(
и уравнительный ток будет в несколько раз больше
номинального. Уравнительные токи протекают в
первичных и вторичных обмотках трансформаторов,
они определяются ДЕ и сопротивлениями коротко-
го замыкания трансформаторЬв.

Распределение нагрузок между параллельно
включенными трансформаторами зависит от сопро-
тивлений короткого замыкания (рис. 2.61). Схема
замещения трансформатора в самом простейшем виде
представляется в виде сопротивления zK=zl + z2, по-
этому при параллельной работе можно пользоваться
схемой (рис. 2.61), из которой, пренебрегая различи-
ем ЭДС в фазах, можно получить

L:-L: J_,	(2.95)

Znl Zn2 Zk3

(2

Рис. 2.63. К опре-
делению уравни
тельных токов и
трансформаторах
АПК

AZK1 - AZ«2 ~ AZk3 	(2-96)

1 оки в трансформаторах, работающих параллельно, распределяются об-
• но пропорционально сопротивлениям короткого замыкания. Поэтому для
5 торционального распределения мощности между трансформаторами не-
I пдпмо иметь одинаковые напряжения короткого замыкания нк%.

По ГОСТ допускается включение на параллельную работу транс-
Ирма торов, когда ик% отличаются не более чем на 10%. При параллель-
р* работе трансформаторов с разными нк% перегружается трансформа-
к, имеющий меньшее значение «к%.

Рели трансформатор, имеющий наименьшее значение ик%, будет на-
фтен номинальной мощностью, другие трансформаторы с большими
«I будут недогружены. При этом другие трансформаторы еще не будут
-• и. номинальную нагрузку и будет иметь место недоиспользование
< >иовленной мощности трансформаторов.

У трансформаторов большой мощности реактивная составляющая
•нцтжения короткого замыкания в процентном отношении к активной
к гииляющей больше, чем у трансформаторов меньшей мощности, при
ш|< отельной работе мощности также будут распределяться неравномер-
 Вследствие этого рекомендуется включать на параллельную работу
д форматоры, отличающиеся по мощности не более чем в 3 раза.

2.12.	Многообмоточные трансформаторы

Кроме двухобмоточных трансформаторов промышленностью выпус-
ки и большое количество силовых трансформаторов, имеющих три обмот-

MI и фансформаторы малой мощности, как
ц .ншю, имеют несколько обмоток, рассчи-
•• IIH.IX на несколько напряжений. Следует
••*11. и виду, что все силовые трансформато-
 имеют магнитопровод, в котором проте-
ч вихревые токи. Если рассматривать эк-
(Мм ьчп'ный контур вихревых токов как от-
pnaiyio обмотку, замкнутую накоротко, то
йуег сделать вывод, что у всех трансфор-
мюрон как минимум три обмотки и самый
Л”* той трансформатор — трехобмоточный.

В многообмоточных трансформаторах
• инном стержне располагается несколько

Рис. 2.64. Схема многообмо-
точного однофазного транс-
форматора
Рассмотрим однофазный, с одинаковым числом витков,
обмоточный трансформатор (рис. 2.64). Считаем, что т обмоток проц
зываются общим рабочим потоком Ф„, сцепленным со всеми обмогкиц
а каждая имеет свой поток рассеяния. При этих условиях уравнения
обмоточного трансформатора будут иметь вид

«1

«2

d Т d  г. +—L. —М.г 1 dt 'dt 12	 —Mu dt "	••• — dt 'm		'1
d	d  —M2.r2+—L2 dt 21 2 • dt 2	- — M2, ... dt .	— — M2m dt .		*2
d d  —Mn — Mi2 dt 1 dt 12	d T —r. +—Д dt	•"	— Mim  dt	X	
d	d  dt "" dt m2	—AC dt ™'	d T  rm -I	Lm  dt		

где гь г2..г»..., гт — активные сопротивления обмоток; L\, L2,

..., Lm — индуктивности обмоток, равные Z, = М + Lal, L2=M +Lal и г
Л/12, Мь > Мц, М7„	Мт и т.д.—взаимные индуктивности между «

мотками; £оЬ La2,..., La„ Lam — индуктивности рассеяния обмоток; мн
..., ит /„ — соответственно напряжения и токи в обмотках
обмоточного трансформатора.

В (2.97) знак плюс перед напряжениями свидетельствует о том, чы
этим обмоткам трансформатора подводится мощность.

Если в результате решения уравнений некоторые напряжения <>t
жутся с минусами, то это будет означать, что с этих обмоток снимай

активная мощность.

Из уравнений m-обмоточного трансформатора как частный случ
могут быть получены уравнения трехобмоточных трансформаторов, i

лучивших среди силовых многообмоточных трансформаторов

Рис. 2.65. Трехобмоточный трансформатор

шее распространение.

На каждом стер»,
трехобмоточного трансфи
матора три обмотки (pi
2.65). Ближе к стержню рг
полагается обмотка низшс
напряжения 1. Как и двухп
моточные, трехобмоточи!
трансформаторы в болыпп
стве случаев трехфазные.

Уравнения трехобмог<>
ного трансформатора с одн
<1‘ИЧНОЙ обмоткой, к которой подводится мощность, и двумя вторич-
вм обмотками, имеющими разные напряжения, получаются из (2.97):

		d ,	d	d		
2Л		г. + —LX	—		^13		ix
1		1 dt	dt	dt		
		d	d ,	d		
“*2	=	—Л/2. dt 21	r2 +—L2  1 dt 1	dtM*	X	Z2
		d ,	d ,	d r		
-«з			T-^32	r3+TL3		i3
		dt	dt	dt		

(2.98)

Для установившегося режима путем замены — j<o получим
dt

Ц = 7,Г| + 7, JaLx + i2jc>Mt2 + 12](йМи’,
-й2= i2r2+i2jaL2+ixj&M2X +i3j&M23, 
-u3 = l3r3+i3j<oL3+7, joM3l + i2jaM32.

(2.99)

। Считая, что трансформатор имеет приведенное число витков, т.е.
•, u>2=w3,a Lx=M + LuX, L2= М+Ьа2, L3=M+Ln3 и все взаимные
•-И)активности одинаковые, для первичной обмотки имеем

йх = /хгх+ij&M+ijoLol+i'2j(nM+i'3joM.	(2. юо)

•	•• и n двухобмоточных трансформаторах,

i0 = ix+i'2+i'3.	(2.Ю1)

•	*i in

Ux = Ixr + 7, jx, + IjtoM,	(2.102)

II» ~G>Znl —индуктивное сопротивление рассеяния первичной об-
<*"11111.

Гак как Ёх =	, уравнение первичной обмотки имеет вид

t7i=-£,+7iZi.

(2.103)

Аналогично получаются уравнения для двух вторичных обмоток
। «и форматора:

й'2 = Ё'2-Г2г'2;	(2.104)

й'3 = Ё'3-1'3г'3.	(2.105)

I ш да уравнения трехобмоточного трансформатора можно предста-
ли. и виде
Рис. 2.66. Векторная диаграмма трехоб-
моточного трансформатора

Ut — Et +

U'4 = E'2-i'2z'2,
.	.	(?II

I73 = £3 —73z3;

i0 = 7,+i2+if.

В этих уравнениях in>uu
сопротивления обмоток равны

Z| =	+ JXj , Z2 T*2 + JX 2

z'3=r2+jx'3,

a X2 ’ X3 ®Ax3 '

Векторная диаграмма ц<
обмоточного трансформатора, ।
ответствующая (2.106), прет i
лена на рис. 2.66.

Для (2.106) и векторной ,ш
граммы трехобмоточного :рш
форматора (рис. 2.66) спраш |

ва трехлучевая схема замене и
(рис. 2.67).

Из уравнений, векторн

диаграммы и схемы

замещен

следует, что

при изменении

।

грузки на одной из вторичн

обмоток

изменяются

напря»!

и

на обеих обмотках.

При

изменении

токов

нагрузки

растет ток в перин

ной обмотке. При этом намагничивающий ток и поток в трехобмотичп

трансформаторе, практически, не изменяются. Степень влияния Haipy
в одной из вторичных обмоток на другую зависит от сопротивлении

так

как чем

больше это

сопротивление, тем больше

падение

на первичной обмотке и тем больше изменение ЭДС.

напряжен

Если считать сопротивление z0 в
схеме замещения трехобмоточного
трансформатора равным бесконечно-
сти, то в схеме замещения нетрудно
обнаружить три контура, образуемых
сопротивлениями схемы замещения.
Поэтому для определения параметров

Рис. 2.67. Схема замещения

обмоточного трансформатора

схемы замещения необходимо провес-
ти три опыта короткого замыкания
к 2.68). В этих опытах
•вредно замыкаются и
•ММкшотся обмотки транс-
лятора, так, чтобы в ка-
1вм опыте исключалось
•• сопротивление.

И первом опыте опре-
Яи'кя

«...	r,l2+JX42=Zl+Z2>

(2.107)

• мором опыте

Рис. 2.68. Схема опытов короткого замыкания

для определения параметров схемы замеще-
ния трехобмоточного трансформатора

*|н Г«1Э + JXk13 ~ Zl + Z3 •

(2.108)

i 11 третьего опыта определяется

Zk23 = Г«23 + 7Х«23 = z2 + Z3 •

(2.109)

111 грех опытов короткого замыкания можно найти параметры схемы
«••тения:

2i — 2 (zk12 + z*u z«23)»	(2.110)

22=у(2к12+2«23-2к1з);	(2.П1)

23 = ^(Zk13 + Zk23 “ Z«|2) 	(2.112)

( опротивление намагничивающего контура находится из опыта хо-
* чп о хода, как и для двухобмоточного трансформатора.

< подует иметь в виду, что из опытов короткого замыкания опреде-
• н я сопротивления xKj2, хк1з и хк2з, равные сумме индуктивных сопро-
• । Пий обмоток. Значения индуктивных сопротивлений обмоток xJ} х2,

। 1ППИСЯТ от расположения обмоток относительно друг друга и относи-
»<• но стержня трансформатора. При формальном определении хь х2 и
и । опытов короткого замыкания могут быть получены отрицательные
•йгния индуктивных сопротивлений.

I Вменение напряжения на обмотках трехобмоточного трансформа-
ЦМ определяется для двух обмоток:




При таком выполнении обмоток трансформаторов ГОСТ устап
вает равенство мощностей всех трех обмоток

100 %	100 % 100 %.

При другом выполнении обмоток трансформатор может ощл
100% МОЩНОСТИ В ОДНУ ИЗ ВТОрИЧНЫХ обмОТОК ИЛИ Суммарную MOLHHih
равную 100%, — в обе вторичные обмотки.

Ранее выпускались трансформаторы с обмотками

100% 100% 67%

100% 67%	100%

100 % 67 %	67 %.

Эти трансформаторы имели меньший расход меди, но и mciii.hi
маневренность, так как в них можно было направлять 100% мопцп
или не больше 2/3 мощности в одну обмотку.

ТреХобмоточные трансформаторы имеют схемы соедшн
Y/Yo/A—0—11 или Yo/A/A—11—11. Однофазные трехобм >к .
трансформаторы имеют группу соединения 0. На паспортной тао ш
трансформатора указываются напряжения короткого замыкания м,>
WK13% И Wk23%.

Трехобмоточные трансформаторы применяются в качестве ша
тающих трансформаторов, когда они имеют две первичные обм‘>>
подключенные к выводам двух генераторов, а их третья обмотка поди
чается к высоковольтной сети. В этом случае применяются три и
трансформатора, соединенных в трехфазную группу. Схема одноф
трехобмоточного трансформатора дана на рис. 2.69.

Первичные обмотки размещаются на разных стержнях, расщепи
ная высоковольтная вторичная обмотка имеет две параллельные n< i
охватывающие оба crip •
Трансформатор может р|
тать при отключении одш
из генераторов (Gi или I
Тогда во вторичной ооми
ток протекает в одной
параллельных ветвей,
этой схемы видно, что щ
обмоточный трансформю
объединяет в одной кок
рукции два двухобмоточк
трансформатора.

Трехобмоточные ipm
форматоры с двумя перм
ними обмотками moi

Рис. 2.69. Однофазный трехобмоточный
трансформатор с двумя первичными и одной
вторичной обмоткой
’ различные номинальные напряжения на этих обмотках. При нера-
)* тс напряжений генераторов G] и G2 ток 13 в параллельных ветвях
>« иределяется неравномерно. При этом и потоки Ф| и Ф2, определяемые
• Ф -тениями йх и й2, будут различны, что приведет к различию в на-
м*1и нии стержней, неравномерному распределению потерь в стали.

Рассмотренную теорию трехобмоточных трансформаторов можно
-i-цссти на четырехобмоточные и в пределе — на многообмоточные
фшпформаторы.

2.13. Автотрансформаторы

Н электромагнитных преобразователях энергии — трансформаторах —
-г дача энергии из одной обмотки в другую осуществляется магнитным
 м энергия которого сосредоточена в магнитопроводе. В автотранс-
► । кагорах передача энергии осуществляется как магнитным полем, так
Им счет электрической связи между первичной и вторичной обмотками
К. 2.70).

Схема автотрансформатора (рис. 2.70) может быть представлена ина-
« (рис. 2.71). Эта схема дает возможность лучше представить преимуще-
м автотрансформатора перед трансформатором при коэффициентах
формации, близких к единице. В трансформаторах токи в первичной
I »1оричной обмотках направлены встречно, поэтому в автотрансформа-
ф'н« за счет совмещения обмоток при небольших коэффициентах транс-
► > мпции UBU1JUBX обеспечивается экономия меди. Если UtKKIUex = 1, то
»« мощность передается за счет электрической связи между первичной и
• > >ричной сторонами. При больших коэффициентах трансформации
•янжснпе массы автотрансформатора по сравнению с трансформатором
Существенно и применять автотрансформаторы нецелесообразно.

й- 2.70. Схема включения обмоток Рис. 2.71. Видоизмененная схема авто-
w I н । рппсформатора	трансформатора
Рис. 2.72. Выполнение
обмоток одной фазы
автотрансформатора

Везде, где необходимо преобразоныии*»
близкие напряжения (110 и 220,220 и 330, 1 Hl J
500, 500 и 750 кВ), используются только nmv
трансформаторы. Для энергосистем чш н
требуется создание установок, преобразуют
напряжения и имеющих предельные мощн<>< ih
Габариты трансформаторов и автотрансформ»
торов лимитируются железнодорожными глМ
ритами и возможностями доставки их с зано d
изготовителя на место эксплуатации. Лир<
трансформатор из-за меньшего расхода акп»
ных материалов в заданных габаритах уд? и»
выполнить на большую мощность, чем триж
форматор.

Автотрансформаторы применяются также в низковольтных сетях •
качестве лабораторных регуляторов напряжения небольшой мощной*
(JIATP). В таких автотрансформаторах регулирование напряжения ей
ществляется при перемещении скользящего контакта по виткам обмен к
При замыкании соседних витков в ЛАТР не происходит витковых замы
каний, так как токи сети и нагрузки в совмещенной обмотке автотрат
форматора близки друг к другу и направлены встречно.

В конструктивном отношении автотрансформаторы, практически, I
отличаются от трансформаторов (рис. 2.72). На стержнях магнитопроио I
располагаются две обмотки. Выводы берутся от двух обмоток и общ.
точки. Большинство деталей автотрансформатора в конструктивном
ношении не отличаются от деталей трансформатора. Обычно актишцц
часть автотрансформатора помещается в баке, наполненном маслом (е м
рис. 2.131).

При проектировании автотрансформаторов следует различать пр<
ходную и расчетную мощности. Проходная мощность (т.е. та мощное п<
которую может передать автотрансформатор) по обозначениям рис. 2.71
равняется

S„ = ^.хЛх » ЦЛх ~ U.hJ2 

(2.11 И

Расчетная мощность автотрансформатора — это мощность, которш
передается магнитным полем:

$Р1СЧ — ЦЛ ~ U2^2 •

(2.1 М|

Расчетная мощность определяет габариты автотрансформатора и ш
висит от коэффициента трансформации:

$р.сч -	1 -

1

1 + «21.

(2.11'*)
 »»n = —----отношение чисел витков вторичной и первичной обмоток.

w}

Из’(2.115) следует, что автотрансформатор при небольших коэффи-
•мпах трансформации требует меньше активных материалов. Поэтому
fa одинаковой проходной мощности применение автотрансформаторов
Шн даее — они имеют меньшую стоимость и несколько лучшие энерге-
* • • кие показатели.

Недостатком автотрансформатора является необходимость выполне-
• изоляции обеих обмоток на большее напряжение, так как обмотки

••• нн электрическую связь.

Автотрансформаторы не могут применяться в качестве силовых в ce-
nt 6 кВ при понижении напряжения до 0,38 кВ, так как напряжение 380 В
•плодится к оборудованию, на котором работают люди. При авариях из-
Ы наличия электрической связи между обмотками в автотрансформа-
><* высшее напряжение может оказаться приложенным к обмотке
анивсго.

В зависимости от включения обмоток автотрансформатора можно
•лучить повышение или понижение напряжения (рис. 2.73, а, б).

11ри анализе рабочих процессов в автотрансформаторах максимально
| пользуется теория трансформаторов. Наличие электрической связи ме-
обмотками не вносит принципиального различия в уравнения авто-
лите форматора.

Уравнения автотрансформатора для схем рис. 2.73, а могут быть за-

inh ины в следующем 1

l/2 = E2—I2z2; •

/0 — + i2n2t. i

(2.116)

I* i ок считается
.i екающим в об-

•ЩКС Z\ и z2 —
иные сопротивления
WUotok автотранс-
форматора.

К (2.116) следует
•выпить уравнения,

Рис. 2.73. Схемы включения однофазных автотранс-
форматоров:

а—повышающие	б—понижающие (С4ых < 14,)

•бывающие токи /, и
I, < гоками /вх и /вых
Рис. 2.74. Векторная диаграмма
автотрансформатора

^к,ат

о Г~п----------------------о

17,
О ........................ о

Рис. 2.75. Простейшая
автотрансформатора

схема зам'-111И'-.(

и напряжения 17, и й2 с напрял пн
С7.х и йт. При этом по рис. 2.70

u„=-ut; йж=йп+й„

^вых = ^2 ’ Ах = ~~ А + Л

Векторная диаграмма авт'чри
форматора, соответствующая урин
ниям (2.116), показана на рис. 2.7-1

Напряжение короткого зам,
ния автотрансформатора, также км
трансформатора, определяем и
следующему выражению:

» .т%=/2н°м^‘т100%. (2.1
^2 ном



Сопротивление короткого
меньше, чем в трансформато-
ре, так как ток короткого за-
мыкания протекает через часть
обмотки, а магнитная система
автотрансформатора насыща-
ется потоками рассеяния. Схе-
ма замещения автотрансфор-
матора при пренебрежении
током холостого хода дана на
рис. 2.75.

Большой ток короткого
замыкания — недостаток авто-
трансформатора. Это вызывает
необходимость ограничивать
токи короткого замыкания в
сетях за счет других элементов

замыкания в автотрансформат 

Рис. 2.76. Схемы включения обмоток i р
фазного («) и трехфазного трехобмот<>-пи
(б) автотрансформаторов
 мы. Меньшее напряжение короткого замыкания и большие токи

кого замыкания автотрансформатора приводят к необходимости
«к и ния механической стойкости автотрансфор] штора.

Наряду с однофазными двухобмоточными автотрансформаторами
• н> применяются трехфазные двухобмоточные (рис. 2.76, а) и трехфаз-
•Р i рсхобмоточные (рис. 2.76,6) автотрансформаторы.

I рехфазные автотрансформаторы, как правило, на стороне высшего
пряжения соединяются в звезду с нулевым проводом. Соединение в
•  iv обеспечивает снижение напряжения, на которое рассчитывается
ииция автотрансформатора.

Применение автотрансформаторов улучшает КПД энергосистем,
* почивает снижение стоимости передачи энергии, но приводит к уве-
I - иию токов короткого замыкания.

2.14.	Последовательные трансформаторы

Рис. 2.77. Схема последовательного трансфор-
матора с регулировочным трансформатором

I рннсформаторы последовательного включения близки по своим ха-
рчстикам к автотрансформаторам. Применяются последовательные
» форматоры в высоковольтных сетях для регулирования напряжения
• амплитуде и фазе в отдельных участках энергосистемы.

Компенсация падения напряжения в отдельных участках энергосис-
•ыы имеет важное значение для качества электроэнергии. Когда регули-
Г» - к я только амплитуда напряжения, имеет место продольное регулиро-
••«iii I ели изменяется фаза напряжения, а амплитуда остается неизмен-
• Й творят о поперечном регулировании напряжения. При этом в сис-
• > и {меняется coscp. Ко-
• шменяются и амплиту-
А 11 ф:»а напряжения, име-
| мчсто продольно-попе-
мине регулирование на-
цм»сн1 я. При этом регу-
>|ПЮ1ся активная и реак-
mdlilll мощности.

< xi-ма последовательно-
»» |ри*и:форматора с регули-
.... трансформатором

I покачана на рис. 2.77.
Па нировочный трансфор-

ми'|| имеет две вторичные
* нки, с которых отдель-
но может сниматься регулируемое напряжение. Это по существу ip ч
моточный трансформатор с одной первичной и двумя вторичными *
мотками. На рис. 2.77 схема регулирования напряжения для ynpoiiit'iMf
показана для одной фазы.

Напряжения UlAq и UlAd сдвинуты на 90°, так как UlAq снимягн 
двух обмоток, сдвинутых на 120° (рис. 2.77):

= ^\Ad + UiAq.	(Il'

Таким образом, напряжение на последовательном трансформп
можно регулировать по амплитуде и фазе.

Трансформатор для продольно-поперечного регулирования
жения получается громоздким и дорогим, поэтому чаще примени*1
только продольное регулирование. В этом случае регулировочнн|
трансформатор имеет одну вторичную регулируемую под Haipyi»<4
обмотку, что дает возможность создать более простую и наделим
установку.

Целый класс трансформаторов последовательного включения tiuwf
дит широкое применение в качестве измерительных трансформп
Измерительные трансформаторы делятся на трансформаторы тока u в.
пряжения. В трансформаторах тока во вторичную обмотку включай*»
прибор или устройство автоматики с низким сопротивлением (рис. 2 'И»
Трансформаторы напряжения применяются в высоковольтных сет
качестве понижающих трансформаторов.

Измерительные трансформаторы изготовляются на небольшую м*чч
ность до нескольких сотен вольт-ампер. Главное требование к ним п| *>
проектировании — малые погрешности при преобразовании токов и и*
пряжений.

В трансформаторах тока первичная обмотка включена последки*
тельно в сеть, а вторичная имеет небольшое сопротивление. Трансформ*
тор тока по существу работает в режиме короткого замыкания.

Из схемы замещения трансформатора (рис. 2.79)
. .ди

z

 "-л---------2---7- (2Л2°)

z0 + z'2 + z'

Ток в приборе будет про-
*рцшшален измеряемому то-
| /,, если сопротивления в
I ’()) не будут зависеть от
||> 1ки, a z'2 + z' будет зна-

I« iii.no меньше сопротивле-
Ez0. Погрешности транс-
поров тока зависят от
рогивлений.

Трансформаторы тока вы-
ипшотся на токи до 40 000 А
Ви юках во вторичных об-
гкпх 1; 2; 2,5 и 5 А. Транс-
^Ьматоры тока бывают с
рвиопитковой или одновит-
• нН обмоткой, расположен-
ptMii на ленточном или на-
Ьнном из пластин магнито-
in годе. Первичной обмоткой
*<•< । быть шина распредели-
 Иного устройства. По роду
Милиции трансформаторы то-
ка тля гея на сухие (с воздуш-
фарфоровой или другой
•'рдой изоляцией) и масляные.

Рис. 2.80. Трансформатор тока ТФРМ
1150Б-У-1 на напряжение 1150 кВ

Трансформаторы тока применяются в высоковольтных сетях вплоть
tпредельных напряжений 1150 кВ. Высоковольтные трансформаторы
ыполюто гея в двухступенчатом каскадном исполнении (рис. 2.80).

Трансформаторы напряжения применяются в качестве измеритель-
Н । рансформаторов в высоковольтных сетях и для питания цепей ре-
• Иной защиты и автоматики в сетях низшего напряжения.

Трансформаторы напряжения работают в режиме холостого хода. Из
 ризной схемы замещения трансформатора следует

(2-12D
z, + C,z2 +С}г}
С, =1 + ^-.

л

Чтобы погрешности в трансформаторе напряжения были минпмиЛ
ными, необходимо стремиться к минимуму суммы z + Clz'1 и имен. 11
близкое к 1.

Погрешности трансформаторов напряжения зависят от moihihmi
трансформатора и нагрева.

Трансформаторы напряжения выполняются однофазными и ц •
фазными на напряжения от 0,38 до 1150 кВ. Часто .трименяются дне п*
ричные обмотки, одна из которых соединяется в открытый треуголыш*

Трансформаторы напряжения выпускаются сухими или масляш.1м|
При напряжениях 220 кВ и выше применяются каскадные схемы II*
каскадном исполнении облегчается выполнение изоляции трансформа юр.

Подробно измерительные трансформаторы рассматриваются и '»<*
сах «Электрические измерения» и «Электрические аппараты».

2.15.	Регулирование напряжения трансформатор*

При изменении нагрузки в энергосистеме, особенно на конце длн *
ной линии ограниченной мощности, происходит изменение напряжен и
Уменьшение напряжения даже на 3—5% по сравнению с номинал!.им
приводит к увеличению токов, потребляемых электрическими машинпЦ
что неблагоприятно сказывается на работе электрооборудования. Пои1
му возникает необходимость в регулировании вторичного напряжим
трансформаторов.

Изменять вторичное напряжение можно путем изменения числа иш
ков вторичной обмотки или изменения потока трансформатора, сцепи
ного со вторичной обмоткой. Наибольшее распространение нашел |ц

Рис. 2.81. Схемы обмоток с ответвле-
ниями для ступенчатого регулирова-
ния напряжения

соб, связанный с изменением чш >
витков вторичной или перви'ни«
обмотки, т.е. с изменением кох|и||«
циента трансформации.

Для изменения коэффидппн*
трансформации обмотки выпоит
ются с ответвлениями, чем и о'ю
печивается ступенчатое регулиро 
ние напряжения (рис. 2.81).

Стандартные трансформ.нп|
средней мощности имеют в соопы
ствии с ГОСТ пять ответвления
t/iiuc соответствует номинальному напряже-
 п два других — напряжениям, отличающим-
f поминального на ±2,5 и ±5%. Трансформа-
«> >  большой мощности имеют большее число

* ш пений. Ответвления выполняют чаще на
Н«'|*»нс высшего напряжения, так как регулирова-
» может быть проведено с большей точностью, а
«,»мночатель получается более компактным.

Переключаемые участки обмоток стараются
полагать в середине обмотки, чтобы распреде-
♦ «>и токов по отношению к ярмам при работе на

Рис. 2.82. Переключа-
тель отпаек транс-
форматора

Снах ответвлениях было симметричным. Необходимо стремиться к
к. чтобы линейные нагрузки были равномерно распределены вдоль
НЬичпой и вторичной обмоток. Отключение части витков нарушает
непомерность магнитного поля рассеяния. При этом возникают элек-
»-нацнитные силы, стремящиеся сдвинуть витки обмотки в осевом на-
Е'ь ции. Эти силы при коротком замыкании могут разрушить обмотку,
уменьшения перенапряжений переключение числа витков целесооб-
выполнять со стороны нулевой точки обмотки. При этом изоля-

•	' переключаемых витков можно уменьшить.

Рпзличают два способа регулирования напряжения трансформаторов:
v юпочение ответвлений (отпаек) трансформатора при отключении от

•	• • ы и регулирование напряжения под нагрузкой.

Переключатель, осуществляющий переключение ответвлений при
скдочепии трансформатора от сети, имеет систему неподвижных кон- .
В и ‘и соединенных с ответвлениями обмотки, и систему движущихся
•«нвкгов (рис. 2.82). Переключатель располагается на крышке или стен-
и йлп, и переключение осуществляется вручную. Регулирование напря-
► ait ' таким переключателем осуществляется при сезонных изменениях

грнкп или в течение суток.

11 ри переключении ответвлений обмотки под нагрузкой переключа-
ть получается более сложным. Схема переключения ответвлений при
пировании коэффициента трансформации под нагрузкой показана на
Ь* .’.83. Чтобы при замыкании ответвлений в образовавшемся контуре

, 2.83. Схема переключения отпаек трансформатора под нагрузкой
Рис. 2.84. Схема переклю-
чения отпаек с токоогра-
ничивающими сопротив-
лениями

не протекал большой ток, используют peiri л
L с расщепленной обмоткой. Токоогравпч •
вающий реактор рассчитан на кратковрсмм
ную нагрузку и в рабочем состоянии, когда нМ
его контакта подключены к одному отвсиим
нию, практически не имеет сопротивления, i««
как обе его половины включены встречно 11
реключатели Si и S2 и реактор размещаю к« ♦
масляном баке трансформатора. Выключаи'и*
Q\ и Q2, чтобы не загрязнять основной ой»
масла, размещаются в отдельном баке, ра< i
лагаемом на стенке трансформатора. Упр:ищ ।
ние переключающим устройством автомат ш
ровано.

Переключение ответвлений происхои
следующим образом. В положении 1 отклю-нг
ется выключатель Q\ и переключатель St nun
водится в положение 2. В положении 3, ко, •
включается выключатель Q\ в замкнутом ы-н

туре, образованном витками обмотки и коммутирующим устройств*
ток ограничивается реактором L (ток в замкнутом контуре показан пи ри
ховой линией). Далее отключается выключатель Q2 и переключатель 1
переводится на другое ответвление (положение 4). В положение 5 вклш»
чен выключатель Q2 и трансформатор работает с другим коэффициент-
трансформации.

Переключение ответвлений под нагрузкой может осуществт я । ь<
по схеме рис. 2.8Л с применением токоограничнвающих сопротинч»
ний. В этом устройстве есть три переключателя — S, Si, S2. При игр.
ходе на работу с ответвления X] сначала вктючается без тока пср<
ключатель S2, затем переключатель S переводится в положения J, I »
вводятся резисторы 7?i и Я2, затем отключайся St и переключатель (
замыкает контакты 3, 4. Во избежание перегрева сопротивлений *
замкнутых витков обмотки трансформатора коммутация осуществи
ется в течение 0,1 с.

Плавное регулирование напряжения под нагрузкой можно получш
при подмагничивании шунта, в котором замыкается часть рабочего пчп<
ка трансформатора. Однако такие схемы громоздкие и находят ограни

ченное применение.

В последние годы появилась необходимость стабилизировать, пол
держивать с большой точностью неизменным напряжение на выводи»
ответственных потребителей. Стабилизаторы напряжения стали широт
применяться также для питания бытовых приборов и телевизоров.
Высокая стабилизация напряжения достигается путем изменения ко-
митента трансформации. При этом для переключения числа витков
ц>гки используются управляемые полупроводниковые приборы — ти-
тры и транзисторы. Схемы стабилизаторов напряжения рассмотрены

2.16. Несимметричная нагрузка трехфазных
трансформаторов

11ри эксплуатации трансформаторов в энергосистемах часто нагрузка
• фазам может быть неодинаковой. Это связано обычно с подключением
• фсхфазным трансформаторам однофазной нагрузки: тяговых подстан-
•»!!. электротермических печей, осветительной нагрузки и других одно-
фкшых потребителей. Неравномерность токов по фазам искажает напря-
ния трансформаторов, что приводит к неблагоприятным последствиям
» потребителя — уменьшается мощность электродвигателей, повыша-
ли напряжение на лампах накаливания, что снижает срок их службы.

Несимметричные режимы имеют место при авариях — одно- и
Вххфазном коротких замыканиях. При несимметричных режимах может
м > 1упить режим перевозбуждения трансформатора или автотрансформа-

ра, когда индукция в магнитопроводе превышает номинальную индук-

«нк> холостого хода. Дей-
• । кующие стандарты до-
ки кают 10%-ное превы-
flutnte номинального на-
4<*жения. Более глубокие
•рсвозбуждения в экс-
Щуигации недопустимы.
При индукциях больше 1,9
I । шачительно растет на-
Miii почивающий ток и де-
формируется магнитное
вне магнитопровода,
•to приводит к увеличению
>Лшючных потерь и нагре-
- нажимных плит стержней
 няжных шпилек.

Рис. 2.85. Разложение несимметричной системы
токов 1а, 1Ь, 1С (а) на симметричные состав-
ляющие (б)

Для исследования не-
симметричных режимов
применяется метод сим-
метричных составляющих. При этом считается, что первичные напри
ния симметричны и трансформатор подключен к сети бесконечной м<>
ности, а вторичные токи определяются несимметричной нагрузкой I

методу симметричных составляющих несимметричная система токен I
1Ь > А (Рис- 2.85, а) разлагается на симметричные системы токов прям>

обратной и нулевой последовательностей (рис. 2.85, 6):

А ~ К\ + Аг + А<р
А = Ai + Аг + Ао» ’

К = Ai + Аг + Ао».

(21

где Ai ~ а Ki> Кг ~ аКг ’ Ai ~ aKi » Аг — а Кг >
.2п	,4гс

а=е 3 ; а2 = е 2 ; 1 + а + а2 = 0.

Тогда

К = Ki + Аг + Ао >

К=а Ki + аКг + Ао» ’

А=<1+«2Аг + Ао..

откуда

А,=|(А+^+«2А);

Аг-|(А + а2А+«А)<

Ао=|(А+А+А)-

Ао — Ао '

(2.1

(2.1

Аналогично можно вычислить симметричные последовательно! о
напряжений несимметричной системы напряжений-^/о , йь и Uc.

Составляющие прямой, обратной и нулевой последовательно! >
определяются аналитически по (2.122)— (2.124) или при геометричесм
построении. После разложения на симметричные составляющие прим
няют принцип наложения и анализируют работу трансформатора огдс и.
но для прямой, обратной и нулевой последовательностей.

Сопротивления прямой и обратной последовательностей в зрит
форматорах равны друг другу. При изменении порядка чередования | н
на выводах трансформатора сопротивление трансформатора не измени»»
ся. Изменение порядка следования фаз приводит лишь к изменению и»
следовательности перемещения максимума потока по стержням. Схемы
*гщения трансформатора для прямой
I -|>|нц-ной последовательностей одина-
>«н Сопротивление короткого замы-
пн» трансформатора для прямой и
Лвнюй последовательностей одно и

м и равно z, +	+ _/хж, а

Рис. 2.86. Схема замещения
нулевой последовательности:

/мо —ток нулевой последовательности
в намагничивающем контуре; zm0 —
сопротивление намагничивающего
контура для нулевой последователь-
ности

||к>1ивление холостого хода равно z)2.
1оки нулевой последовательности
ту же частоту, что и токи прямой
• «При гной последовательностей, и сов-
< । ни по фазе во всех трех обмотках.

•аи1 пулевой последовательности мо-
Ife шмыкаться в обмотках, соединен-

на и треугольник и в звезду с нулевым проводом. В нулевом проводе

Г" икает ток

ia+ib+ic=3iaB.	(2.125)

Hi 2.87. Пути замы-
мпич потоков нулевой
► 'ндопательносги

Гоки нулевой последовательности создают потоки нулевой последо-
»« п.пости, которые совпадают по фазе. Потоки и токи нулевой после-
*«я1гльности аналогичны потокам и токам 3-й гармоники и отличаются
•> иной и «происхождением». Потоки и токи 3-й гармоники появляются
। । pin ^форматоре из-за насыщения, а потоки и токи нулевой последова-
л 'июсти возникают из-за несимметрии нагрузки в трансформаторах,
фишшенных в конструктивном отношении симметричными. В общем
«рте напряжения и токи нулевой последовательности (как и обратной)
► niiiMiioT в несимметричных трансформаторах при симметричной на-
с пн и в симметричных трансформаторах при несимметричной нагрузке.

Для нулевой последовательности может быть
предложена схема замещения. Если рассматривать
приведенный трансформатор, то, как и для прямой
последовательности, может быть составлена Т-
образная схема замещения (рис. 2.86). Параметры
схемы замещения нулевой последовательности
зависят от конструкции магнигопровода и обмо-
ток

Так как потоки нулевой последовательности
совпадают во всех трек фазах трехфазного транс-
форматора, в трехстержневом трансформаторе
поток нулевой последовательности замыкается по
воздуху и стенкам бака (рис. 2.87).

В броневых трехфазных трансформаторах
и в трехфазной группе однофазных трансфор-
201'
Рис. 2.88. Схемы для определения опытным
путем параметров схемы замещения нулевой
последовательности

маторов потоки Hyjn »•
последовательности
каются по стали. 1чи'и
венно, индуктивное с«>и|ч
тивление в таких грин
форматорах больше, чем
трехстержневом	11. i и

форматоре, в котором
дуктивное сопротивлн
нулевой последоватеш.
сти примерно рш
z0 » (5 4- 8)zK. Когда по

нулевой последователь«

± 1 . i =

сти замыкается по стали, индуктивное сопротивление нулевой ш» п«
довательности равно сопротивлению взаимной индукции.

Сопротивление нулевой последовательности определяется опышЦ
путем по схемам рис. 2.88, а, б. Полное сопротивление нулевой после!
вательности

Zo=ro+A>>	(2-Ч

где гт, хоо — активное и индуктивное сопротивления нулевой поспели •
тельности.

Как и в схемах замещения для прямой и обратной последователым
стей, активные и индуктивные сопротивления относятся к одной фч
Активные сопротивления схемы замещения определяются по noKaciun
ваттметра:

(2.J

-''о

Полное сопротивление определяется по показаниям амперметрп »
вольтметра. Для рис. 2.88, a U » 3/ozo.

В трехстержневом трансформаторе х0 соизмеримо с г0, а в ip
фазной группе однофазных трансформаторов х0 » х12. При соедишн!
обмоток Y/Yo (рис. 2.89) токи нулевой последовательности проикт,
только во вторичной обмотке и не уравновешиваются токами в перпнч
ной обмотке. В трансформаторе возникает поле, созданное МДС гом
нулевой последовательности. Из (2.125)

ua+ub+uc = 3iQz0.	(2.1"

Токи нулевой последовательности в схеме Y/Yo смещают ия»
метрическую нейтраль из центра тяжести треугольника линсшн
жжений, где была
«||)эдь при симмет-
« |Ц>й нагрузке (рис.

) Смещение ней-
*«iii приводит к иска-
нию звезды фазных
•«ряжений, что небла-
||>иятно сказывается

• |кнерях в трансфор-

Рис. 2.89. Токи нулевой последовательности в схе-
ме Y/Yo

®»<ipc и искажает напряжение у потребителя. В броневых трансформа-
ции и в трехфазной группе однофазных трансформаторов даже неболь-

« юки нулевой последовательности приводят к значительному смеще-

фн нейтрали, так как гц(| и z12. Чтобы избежать большого смещения

•*||шли в этих схемах, ограничивают ток нулевой последовательности
•К поминального тока трансформатора.

11ри соединении обмоток трансформатора A/Yo токи нулевой после-
। ельности протекают как в первичной, так и во вторичной обмотке.

•	о юки нагрузки в обычной схеме, так и токи нулевой последовательно-
>>• к схеме A/Yo компенсируют друг друга и не создают потока в транс-
»-i|i шпоре. Поэтому в схеме A/Yo отсутствует смещение нейтрали. Схема
В (имения A/Yo применяется там, где ожидается несимметричная на-

фу|*и.

Н высоковольтных трансформаторах желательно применять соеди-
•ипс обмоток в звезду, так как при этом фазные напряжения, на которые
(►(•ппывается изоляция обмоток трансформатора, в 7з меньше, чем

и соединении в треугольник. В трехобмоточных трансформаторах ши-

•	ю применяется соединение Y/Yo/A. Обмотка, соединенная в треуголь-
обычно рассчитывается на часть мощности обмоток, соединенных в

•»»лу В этом случае ее называют компенсационной обмоткой. При не-

г 2.90. Смещение нейтра-
♦ хгме Y/Yo

симметрии нагрузки токи нулевой последо-
вательности протекают в компенсационной
обмотке и в обмотке, соединенной по схеме
Ко, и поток нулевой последовательности в
трансформаторе отсутствует.

Если в трансформаторе имеются два
или несколько контуров, в которых могут
протекать либо токи нагрузки, либо токи
высших гармоник, либо токи нулевой по-
следовательности, вызванные несимметри-
ей нагрузки, то при этом токи компенсиру-
ют друг друга и поток от этих токов в
трансформаторе о i < \ i
вует. Любые вескими
ч сированные токи coin
в магнитопроводе цн
форматора поток.

В эксплуатации ч
встречаются режимы
боты трансфор» >1<|
при коротких замыктн
одной или двух ф:и i
различных соединен!
обмоток или замыкф!

Рис. 2.91. Однофазные короткие замыкания в ОДН°Й н™ Двух Фаз Ч"*1
схемах Д/Y и Y/Y	форматора на землю

также при обрыве фа n.i

Расчет токов при несимметричных режимах имеет важное знггн |
для эксплуатации силового оборудования энергосистем, настрой ки |
лейной защиты и автоматики.

Наибольшая несимметрия токов имеет место при однофазном жор1
ком замыкании (рис. 2.91, а и б). Это крайний случай несимметричи
нагрузки. Для схемы рис. 2.91, а

j = j =0-
о С ’

для схемы рис. 2.91, б

41

где йА — фазное напряжение.

Из-за наличия нескомпенсированных
токов нулевой последовательности при
однофазном коротком замыкании в схеме
Y/Y имеет место смещение нейтрали, что
приводит к искажению звезды фазных на-
пряжений за счет напряжения нулевой по-
следовательности UM (рис. 2.92). В схеме
Д/Y смещения нейтрали при однофазном

Рис. 2.92. Смещение неШ pi
ли при однофазном коры*«>м
замыкании

коротком замыкании нет, если короткое
замыкание — на стороне обмотки, соеди-
ненной в звезду.
 К несимметрич-
режимам работы
Г не,форматоров от-
пся режимы рабо-
« при обрыве фазы.
 правило, это ава-
Еиыс режимы, и
и форматоры от-
чаются от энерго-
• 1><мы. Однако в

Рис. 2.93. Неполнофазный режим в схеме ¥</Д

<вифазной группе Yo/A при обрыве фазы (рис. 2.93) возможна временная
«г, цача энергии двумя фазами. Неполнофазный режим в этом случае
холостом ходе обеспечивает равенство линейных напряжений на вто-

4»«||<>й стороне трансформатора Uab , Uca, которые образуют равно-
|«>|11>1111ий треугольник. При этом ток 70 = 1В + 1С может быть достаточ-
• большим. Это необходимо учитывать при эксплуатации, так как зазем-
••||к нулевой точки не рассчитывается на протекание больших токов.

Выше были рассмотрены лишь наиболее типичные примеры несим-
«нричных режимов работы трансформаторов. Более подробно несим-
г> ||>ичные режимы рассматриваются в спецкурсах.

2.17. Переходные процессы в трансформаторах

Переходные процессы в трансформаторах возникают при включении,
t изменении нагрузки, различных коммутационных и аварийных режимах.

JЦивходные процессы в трансформаторах описываются дифференциальными
Йвм№ниями (2.1), (2.97). При постоянных параметрах уравнения (2. Г), (2.97)
•  кп аналитическое решение. При учете насыщения, когда индуктивности и
й"»1миые индуктивности зависят от токов, для решения уравнений трансфор-
•  ‘чра применяют ЭВМ.

Вначале рассмотрим
вм» печение трансформа-
Пфп к сети. Будем анализи-
умпн> включение однофаз-
•йо ненасыщенного транс-
Ффмптора с разомкнутой
м«|>пчпой обмоткой (рис.
• '”!> Для этого простого

Рис. 2.94. Включение ненагруженного транс-
форматора в сеть

Цц||>'сса можно записать
»*• (ующее уравнение:
<7Ф

Wi =»,/•,+ЬУ1 — .
at

В ненасыщенном трансформаторе справедливо соотношение

ьу.Ф

А

(2 |JW

(2.1 UI

Подставив (2.130) в (2.129), исключим Ц и для приложенного спи,
социального напряжения получим

.	w.r, (1Ф

C7lrasin(tor + ip) = —^-Ф + ш1-—,	(2.11Ь

Lt at

здесь у — угол, определяющий мгновенное значение напряжения в
мент включения трансформатора.

Таким образом, включение трансформатора при холостом ходе рш
сматривается как подключение катушки к сети. Решение (2.131) имеет nun I

-ir	_nf

ф = ф' + Ф" = Фга[со81|/е L‘ -соБ(юг+\|/)]±Фосте £| ,	(2 11 i

где Ф' — мгновенное значение установившегося потока;

Ф' = Фт sin(o>r + ф - л/2) = -Фт cos(cor + ip);	(2 111 |

Ф' — мгновенное значение переходного свободного значения потока

-ir

Ф" = (Фтсоз1|/±Фост)е £| ;

(2.1 HI

Фост — остаточное значение магнитного потока.

Графическое изображение решения уравнения (2.132) представлено pin
2.95. Характер переходного процесса зависит от момента включения 11|>н
у = тт/2 и Фост = 0 сразу устанавливается поток Фт cosat и процесс вмши

Рис. 2.95. Переходный процесс при
включении трансформатора

чения проходит без бросков токи

I Таиболее неблагоприя пик
протекание переходного про
цесса имеет место при = 0 и
Фост, совпадающем по знаку in
свободной составляющей по ш
ка. Этот случай включепп*
представлен на рис. 2.95. Попп,
достигает максимального шп
чения примерно через полис
риода после включения, и
Ф ®1,8^2,5Ф .
I Iotok достигает 2,5-
ftai кого значения Фт
V' условии, что оста-
ЧИ14Й поток равен
а свободная со-
। «паяющая	затухает

• <п> медленно, что
ви» г место в мощных
фии-форматорах, у ко-
1-лх и « (uLj. В транс-
Н'М'лторах малой мощ-
Й "1 процесс вклю-
Яич протекает быстрее
• > опровождается мень-
и бросками тока.

Рис. 2.96. Зависимость тока холостого хода в
трансформаторе от магнитного потока

Увеличение потока в 2—2,5 раза по сравнению с потоком Ф„ в ре-
мюм трансформаторе приводит к появлению тока, в 100 и более раз
ьышающего ток холостого хода трансформатора (рис. 2.96). Обычно
• ицсльность переходного процесса невелика и броски тока затухают

l>«- i несколько периодов.

I Ьамагничивающий ток в силовых трансформаторах составляет 0,4—8%
xdMiuiiuibHoro тока трансформатора, поэтому кратковременные броски
иц при включении не превышают 1,5—2,5 номинального тока транс-
♦ ipwiTopa. Броски тока при включении не опасны для трансформатора,
• пс< бходимо настраивать защиту таким образом, чтобы не было лож-
ШЯ о < ключений трансформатора.

В трехфазных трансформаторах процесс включения протекает в ка-
* М фазе со сдвигом на 120°. При тех же допущениях, что и для одно-
типно трансформатора, уравнения, полученные для однофазного
ijmi" форматора, остаются теми же самыми и для трехфазного трансфор-
•nupti. Переходные процессы при коротком замыкании являются для
। и' форматоров опасными аварийными процессами. Короткие замыка-
ли гран, форматоров возникают в энергосистемах при повреждении изо-

Ин 2.97. Короткое замыкание однофазного
I « форматора

ляции, замыкании линии
передач, при перенапряже-
ниях и в результате оши-
бочных действий персонала.

При анализе процес-
сов короткого замыкания в
трансформаторе считают,
что напряжение и частота
на первичной обмотке ос-
таются неизменными (сеть бесконечной мощности), замыкание rpoiti <
дит непосредственно на вторичных выводах, трансформатор нен;н мм
(рис. 2.97).

Рассмотрим однофазный трансформатор с приведенным числом и
ков. Из дифференциальных уравнений трансформатора (2.1) следуш

w, = ift + £,—+

1	1 '	1 dt	dt

О - i2r, + Ьг ^-+

2	2	2 dt	dt

(2.11

Если пренебречь током холостого хода, приняв ц = -i2, и выч™ fl
друг из друга уравнения системы (2.135), получим

M1=/1(r1+r2) + (Z1+Z2-2M)4L.
at

Так как Lx = М + Lcl, a L2 = М + То2, то имеем

(2|Ь

at

здесь гк = г, + г2,	= ZO1 + £о2 .

Уравнение (2.137) может быть получено также из схемы заме!" " I
трансформатора при коротком замыкании (см. рис. 2.19).

Решение (2.137) имеет вид

h = А. = Ау + Ас. =	ly sin(or + v - Ф.)+

+ V2[71sin(y-(p)-7lysin(vj/-(pI[)]e £“ ,	(2 11 ,

где i’iy — мгновенное значение установившегося тока короткого замм. • |
ния, равное

^2-sm(tor+v|/-(pK) =-У!/, sm(ror + v|/-<pK) ;	(2.1* I

Ac. — свободный ток, равный

г~

V2[71sm(v|/-<p)-7lysm(v|/-(pK)]e £“ ;	(2.1 Un

здесь 7jy — действующее значение установившегося тока короткого зам мм
Ц

ния, равное —L; у — угол, характеризующий мгновенное значение наир»

жения в момент короткого замыкания; <рк — фазный угол при коротком и
«•пин; Ц — ток нагрузки
•incur короткого замыка-
•« i|i — фазный угол в мо-
|• короткого замыкания.

Дня упрощения анализа
•Ингсов при коротком за-
•o-utiiii будем считать, что
фикое замыкание про-
•MIIHO в трансформаторе
<•» шке нагрузки 1Х = 0, т.е.
i« чолостом ходе. Это не
«гниет значительно про-
м в трансформаторе, так
и 1ок короткого замыкания
I Много раз превышает ток
♦ рч «ки. Для этого случая

Рис. 2.98. Изменение токов в трансформаторе
при коротком замыкании

iu = V27ly[sin(cor + ij/-<pK)-sin(v|/-<pK)].	(2.141)

111 (2.141) следует, что при ig -	свободный ток отсутствует и ток ко-

। и о замыкания сразу становится равным установившемуся значению.

Наибольшее значение ток короткого замыкания приобретает при
1 *1’, +я/2 (рис. 2.98). Максимальное значение тока короткого замыка-
наступает через полпериода после короткого замыкания. Ударный
•• короткого замыкания равен

/уд = аТ271у,

(2.142)

I* I' = 1,7-е-1,8 для трансформаторов большой мощности и а = 1,2-е-1,3
•»• |рапсформаторов небольшой мощности.

Установившийся ток короткого замыкания, считая трансформатор
- пн ыщенным, находим, используя относительные единицы, из отношения

^1НОМ «к

(2.143)

Напряжение короткого замыкания определяет установившийся
к» короткого замыкания и является важным показателем для харак-
рш тики динамических процессов в трансформаторе. Хотя переход-
01' процессы в трансформаторе при коротком замыкании по сущест-
|||| ухают в течение пяти—семи периодов, короткие замыкания
• »ш> опасны для трансформатора. При г/к% = 5% установившийся
in» короткого замыкания в 20 раз, а ударный ток примерно в 50 раз
•Я " пышают номинальный ток.
Рис. 2.99. Электро-
магнитные силы, дей-
ствующие на обмотку
трансформатора

Во избежание выхода из строя трансформин
ров при коротком замыкании они снабжаю п и <»
стродействующей защитой, отключающей ин нр
коротком замыкании.

При коротком замыкании в трансформа юр
течение небольшого промежутка времени выдн^
ется значительное количество тепла, что ью«(
привести к взрыву масла. Чтобы избежать понр»в
дения бака трансформатора, предусматриваю м
предохранительный клапан и выхлопная трш
обеспечивающая выброс масла в специальны

яму, расположенную вблизи фундамента циа»
форматора.

При коротком замыкании возникают ограм
ные усилия, действующие на обмотки. Спока
ность трансформатора выдерживать короткое 

мыкание определяется его электродинамической стойкостью.

Обмотки трансформатора, расположенные, вокруг стержней моим»
топровода, находятся в области поля рассеяния. Поэтому на единицу ыв
ны проводников действуют электромагнитные силы, равные произнся
нию индукции поля рассеяния и тока (рис. 2.99):

F = Bi.

(2.1 Н|

При коротком замыкании электромагнитные силы возрастают пр
порционально квадрату тока, так как пропорционально току коротко!»
замыкания увеличиваются потоки рассеяния. Если при номинальном 1I
жиме при токе 1000 А и индукции поля рассеяния 0,1 Тл электрома! нш
ная сила, действующая на проводник, равна 1 Н/См, то при коротком ни
мыкании она увеличивается почти в 1000 раз.

Чтобы обеспечить электродинамическую стойкость трансформа гое
необходимо выполнять обмотки и магнитопровод таким образом, чтоШ
катушки не могли перемещаться и деформироваться.

Расчет механических усилий при переходных процессах затрудняет
ся тем, что нельзя достаточно точно определить поток рассеяния и упру
гость сложной механической системы, которой является обмотка трап»
форматора. Поле рассеяния имеет продольную Bd и поперечную Вч сн
ставляющие (рис. 2.99). В различных точках обмотки Bd и Bq изменяю н <
и, в зависимости от выполнения обмоток, продольная и поперечная с»
ставляющие поля рассеяния могут изменять направление по высоте <и>
мотки.

Радиальные силы сжимают внутреннюю и растягивают внешнюю
обмотки. Наиболее опасны осевые силы, возникающие под действием
»• речной составляющей
• которые стремятся сдви-
обмотки. Особенно
«ню это для трансфор-
иоров, у которых обмот-
« ш> длине несимметрич-
.. чго иногда приходится
®чскать при регулирова-
•<> напряжения, когда от-
>м1,|пется часть витков.

На рис. 2.100 показано
(fc tij «деление продольных
( поперечных составляю-

Рнс. 2.100. Распределение продольных и попе-
речных сил в концентрических обмотках:

1 — в первичной; 2 — во вторичной

«и. поля рассеяния и продольных и поперечных сил для концентриче-
обмоток равной высоты. Продольные силы Fd] и F^ определяются
•»ом в обмотках (рассматривается трансформатор с приведенным чис-
•м пигков) и поперечными составляющими индукции поля рассеяния Вч1

Соответственно Fqi ~ Bdb a Fq2 ~ Bd2- Сложное распределение дина-
•нгских усилий в обмотках трансформатора зависит от конструкции
ipxin-форматора, а точность расчетов определяется в основном расчетом
•шей рассеяния.

Электродинамические усилия пропорциональны квадрату тока, по-
•нму вибрации обмоток имеют двойную частоту по отношению к часто-
Oieiu.

11ри проектировании тщательно конструируется крепление обмоток.

1 1 < ш и узлы крепления обмоток испытываются на прочность на специ-

Ы1ых испытательных стендах.

В трехфазном трансформаторе при симметричном трехфазном ко-
^im>m замыкании переходные процессы протекают в фазах со сдвигом
I 120°. Формулы, полученные для однофазного трансформатора, спра-
• <иивы для фазы трехфазного трансформатора.

Переходные процессы при несимметричных коротких замыканиях
•• лсдуют на ЭВМ. При этом решаются совместно уравнения напряже-
трех фаз трансформатора.

Витковое короткое замыкание. При эксплуатации трансформато-
рн н i-за повреждения изоляции витков может произойти короткое замы-
одного или нескольких витков внутри обмотки. При этом в двух-
• Мчючном трансформаторе появляется третий короткозамкнутый кон-
р и поврежденную фазу можно рассматривать как фазу трехобмоточно-
'I цпшеформатора.

Гок в замкнутых витках вторичной обмотки можно определить исхо-
 нт равенства МДС:
Wl* = ^2ном .	(2 ] .| Ц

ау2 /2ж

При определении токов в первичной обмотке в (2.145) индекс ' *
меняется на 1.

Как следует из (2.145), ток в замкнутых витках может в дес ягкн »
сотни раз превышать номинальный ток, что приводит к недопустим!
местному нагреву, а огромные усилия, действующие на короткоззммн
тые витки, приводят к тяжелой аварии и выходу из строя трансформ

При витковом коротком замыкании ток, потребляемый из сети, Црп»
тически не увеличивается: это исключает возможность создания зашит
трансформатора от витковых коротких замыканий. Единственной чипы»
той трансформатора от витковых коротких замыканий являются прашИч
ный расчет изоляции, высокая технологическая культура запши
изготовителя и правильная эксплуатация трансформатора.

Переходные процессы в трансформаторах при перенапряг r.i-
их. Электромагнитное преобразование энергии в трансформатора: н|
исходит при сравнительно низких частотах — 50—1000 Гц. При на
частотах схема замещения трансформатора состоит из активных и ин.иу »
тивных сопротивлений.

При эксплуатации трансформаторы могут подвергаться воздейспч]
высокочастотных напряжений прямоугольной формы в кратковремеи"
импульсах, значительно превосходящих по амплитуде номинальное и*
пряжение трансформатора. Перенапряжения в энергосистемах возникли
при коммутационных операциях (отключении и включении линий nqa
дачи и трансформаторов), авариях и грозовых разрядах. XapaicvriK
формой волны перенапряжений является апериодическая волна (pin
2.101, а). Начальный, крутонарастающий участок до Um называют ф|юи
том волны, а спадающий участок — спадом волны. При этом дли кич
ность фронта волны составляет несколько микросекунд, а вся волна нс]
напряжений действует десятки микросекунд. Наиболее опасна волпп 
прямоугольным фронтом (рис. 2.101, б). Она дает наибольшие Персии

Рис. 2.101. Волны перенапряжений:
а — апериодическая; б—прямоугольная

212

пряжения, а при рш
жении	прямоугол ышИ

волны на гармонически
составляющие амплшу
ды высших гармопо
максимальны. Волны •
прямоугольным фронтом
приходят к трансформ,
торам при грозовых п«
ренапряжениях. 1ipn
<»ч1>ных разрядах от-
•«кТельные заряды
•И ШОТСЯ вдоль линии
) скоростью света

2.102)	. Много-
,1110 отражаясь от
•МЩОВ линии, волны,
• шинные грозовыми
••рядами, кратковре-

миио создают ампли- рис 2.102. Грозовые перенапряжения в линиях пе-
^аы напряжений, в редачи и трансформаторах
фмгки раз превы-

•I- ицие номинальное напряжение трансформатора. Чтобы предохранить
И пробоя изоляцию обмотки трансформатора Т, перед трансформатором

 шавливают разрядники F (рис. 2.102) и усиливают изоляцию на вход-
•ш витках обмотки. Вилитовые разрядники, состоящие из нелинейных
(•противлений, лишь уменьшают перенапряжения на трансформаторах,
В>>1ому конструкция трансформатора должна предусматривать устойчи-
• < и> трансформатора к перенапряжениям.

11ри исследовании переходных процессов при перенапряжениях exe-
at смещения трансформатора наряду с распределенными индуктивно-

 ими и активными сопротивлениями имеет емкости между витками, ка-
Пшкпми и землей (рис. 2.103). При высоких частотах емкостное сопро-
Цяпение уменьшается и его необходимо учитывать. Индуктивное сопро-

яшпение трансформатора aL становится столь большим, что можно сни-
ми его равным бесконечности.

Схема замещения трансформатора при перенапряжениях состоит из
»«• гичных емкостей между витками С12, С13 для обмотки высшего напря-
••иня, емкостей между витками обмотки и землей С13, С23,..., Сп3 и емко-
<•11 между витками обмоток высшего и низшего напряжений Сп, С22,

2.103. Схема замещения щы обмоток транс-
*»<1<миюра при быстропротекаюших переходных
ц«< кссах

Ст. Такие же емкости
имеются для обмотки
низшего напряжения
(для упрощения изобра-
жения на рис. 2.103 не
обозначены). Достаточ-
но сложная схема заме-
щения рис. 2.103 не от-
ражает всех емкостных
связей. Надо иметь в
виду, что и по длине
витка емкости изменя-
Рис. 2.104. Упрощенная схема замещения обмо-
ток трансформатора при переходных процессах

ются, так как в час nt
ка, расположенной Гт
к баку, и в части ни
расположенной в и
трансформатора, емм
различные.

Обычно перечни
процессы при nepcniiii
жениях рассматриваю ।
более простой схеме 1|
2.104). В этой схем

тивные сопротивления обмоток приняты равными нулю, а емкости пт

разделены на продольные емкости С]А С2А .... С„л и поперечные см ми

Если считать, что при высоких частотах, которые имеют мест i

т 1

перенапряжениях, со!»------, и ток, протекающий через иццуктиюпи

<оС

витков, равен нулю, то схема замещения еще более упростится и но i
более наглядно можно рассматривать переходные процессы при це|и
пряжениях (рис. 2.105).

Для схемы замещения рис. 2.105 продольная емкость

(2 II

полная поперечная емкость

с.=£с.-

I

(2.11

А

О—

9 C„j

Г- О

777777Г7777777-~‘-77777?7Т

Рис. 2.105. Схема замещения, состоянии ю
емкостей

При перенапряжениях волна с крутым фронтом заряжает продин
ные и поперечные емкости, не проходя по индуктивным сопротивлении
трансформатора. В первый момент переходного процесса трансформ.ш
представляет собой вход-
ную емкость:

ск=Ж  <2-148)

Входная емкость мощ-
ных высоковольтных транс-
форматоров достигает КГ9—
КГ11 Ф. Волна с крутым
фронтом в первый момент
• и. t трансформатор,
< । 1рансформатора оп-
ит гея входной емко-
(а на выходе
*•>< форматора напряже-
> досгигает двойного
•о? ' I ГНИЯ ВОЛНЫ.

Чгобы рассмотреть
।i.i в трансформаторе
Л» перенапряжении, обра-
, шементу емкостной

•смотки (рис. 2.106). Если принять длину обмотки равной 1, то напря-

*«ж» ни элементе схемы замещения dx будет dux. Из соотношения

и = ±,	(2.149)

• I/ — заряд на емкости; С — емкость, определяем, что на емкостях,

Cd

g-iiii-K-uiibix последовательно, заряд будет q„ а напряжение —. На ем-
dr

(j

|м их, включенных параллельно, напряжение ——, а заряд d^.
dx

111 рис. 2.106 следует

1 dq
ux =-------;

Cq dx
Qx
dx Cd

' II n< м qx из (2.151) и, подставив в (2.150), получим

Минине (2.152) имеет вид

их-А1еах +Аге~ах,

(2.150)

(2.151)

(2.152)

(2.153)

(2.154)

В современных трансформаторах а = 5-5-15. Постоянные интегриро-
• н инА । и Аг находятся из граничных условий.
0,8

0,6

0,4

0,2

1
и,%

0,6

о

Рис. 2.107. Начальное распределение
напряжения для обмотки с заземлен-
ной нейтралью

0,2	0

0

1,0

А

В начальный момент пр*
электрические заряды и I
dq
i = — распределяются по при
ным емкостям неравномерпп
как по мере подхода к киши
мотки все большие токи нрф<
через поперечные емкости. И<>
му через продольные емкое i к
чальных витков проходят боли
токи. В результате паденш и
жения на продольных емшч
также распределяется неравно»

но, уменьшаясь
обмотки.

Из (2.152)
обмотки [9]

от начала к ь

для заземл* и

wr =и

shax
л “Г
sha

Для обмотки с незаземленной нейтралью
ch ах
их=иА—------------------------------.	(.'I

ch а

На рис. 2.107 показано начальное распределение напряжения ши

ме замещения рис. 2.105 для об-
мотки с заземленной нейтралью, а
на рис. 2.108 — с незаземленной
нейтралью.

Как видно из рис. 2.107 и
2.108, распределение начального
напряжения при а > 5 неравномер-
ное. При волне с крутым фронтом
на входных витках возникают зна-
чительные перепады напряжений,
опасные для изоляция трансформа-
тора. При х = 1 для обмотки с за-
земленной нейтралью (рис. 2.107)

а о

, Г dur ’
gradwx = —-

L dx J

0,6

0,4

0,2

0

1 р

U,%
0,8

Рис. 2.108. Начальное распредели!
напряжения для обмотки с нетн
ленной нейтралью

0,6	0,4 0,2	<1

а=10

= аиА ctha.

(2.157)
Дтя обмотки с незаземленной нейтралью (рис. 2.108)

gradwx -

= аилЙкх.

(2.158)

Приа>3 tha«ctga = l, и для обоих случаев

. dx JI=i

= аил.

(2.159)

К идеальном случае — при прямолинейном распределении напряже-

dux „	„ -

м = иАх —крутизна постоянна и равна-----= иА. В реальной обмот-

dx

И »nt да а* 0, максимальная крутизна начального распределения на-
М»<ичя в а раз больше, чем при a = 0. Для трансформатора с

L в 500 кВ, имеющего 50 катушек в обмотке, при равномерном рас-

у»л<- 1сиии на катушку ложится 10 кВ. При a = 10 на входной катушке
 । нлчальное напряжение 100 кВ.

Следует отметить, что электротехническая промышленность в на-

•iitrc время освоила выпуск
к форматоров на напряжение

I 0 кВ.

Рассмотрим период перехода
нпчального распределения на-
»«•«ния к конечному. В этом пе-
необходимо учитывать ин-
|*ц||||1ые сопротивления и рас-
Wipiiii 1ть обмотку и ее элементы
 колебательные контуры. Пере-
ог начальной стадии к конеч-
М происходит в виде высокочас-
имх колебаний, которые зату-
 и из-за потерь в трансформато-
В । Ч»и этом напряжения стремятся
I «повившимся значениям.

Ни рис. 2.109, 2.110 показано
Н пргчеление напряжения (в отно-
•1<|ц.ных единицах) в различные
Вм'тны времени между началь-
В (' = 0) и конечным (/ = оо)
И ир< велениями напряжения для
*401 ок с заземленной и изолиро-
< um нейтралями.

Рис. 2.109. Переходный процесс в
обмотке с заземленным концом при
воздействии прямоугольной волны
a

Рис. 2.110. Переходный про-
цесс в обмотке с незаземлен-
ным концом при воздействии
прямоугольной волны

Из кривых видно, что при проши
нии прямоугольной волны в обмотку
деформируется и, отражаясь от др
конца обмотки, накладывается на пр

волну, создавая сложную картину |>о*

деления напряжений во времени. 1 In

тер колебательных процессов влияю!

плитуда и форма напряжений и парт

обмотки (ее индуктивные,

емкостные в

тивные сопротивления). Разлагая ш»
щую на обмотки трансформатора п<>ц

гармонический ряд, можно предо ш
что бесконечный спектр гармоник ши

ствует на обмотки, вызывая резоншв
колебания и весь сложный переходно!!

цесс при перенапряжениях.

На рис. 2.111

и 2.112

представлг

ни

менение напряжения на витках обм»н

точке а (рис. 2.109, 2.110) при прямом

ной бесконечно длинной волне и апср»

ческой волне конечной длины с к|»1
фронтом.

Как ни сложны переходные проц

при перенапряжениях, основные или
их на работу трансформатора были нм»

ны еще в 30-х годах. Основное воздействие перенапряжений принт
на себя входные витки и катушки обмотки, наиболее опасны волны <

тым фронтом.

При проектировании трансформаторов для обеспечения надо юн
работы необходимо усиливать изоляцию входных витков и кату и 

также стремиться к выравниванию начального распределения нанщ
ния. Для этого надо увеличивать емкость входных витков и катушек

Рис. 2.111. Изменение напряжения в
точке а (рис. 2.109) относительно зем-
ли при прямоугольной волне

Рис. 2.112. Изменение напря*<-н»и
точке а (рис. 2.109) относительно
ли при апериодической волне с »о
ной длиной
1 Увеличение емкости достигается пу-
"рименения разомкнутых емкостных
Ц< и электростатических экранов (рис.
•} 1;мкостные кольца изготовляются
шрдого изоляционного материала с
М "вированной поверхностью. Для
пппо сближения начального и конеч-
) риспределений напряжений приме-
| 1Лсктростатические экраны, пред-
ющие собой разомкнутые изолиро-
кольца, охватывающие первые
Umi и соединенные с входным кон-
 •I -мотки.

1 рпнсформаторы с емкостными
щпми и электрическими экранами
ны>1>тся нерезонирующимн или гро-
ирными трансформаторами. Нерезо-

Рис. 2.113. Конструкция об-
мотки грозоупорного транс-
форматора:

1 — кольцо; 2 — экран; 3 — ка-
тушка с усиленной изоляцией

перенапря-

• > мнние трансформаторы выдерживают
|pNii.ic и коммутационные

| ' 114. Распределение напряже-
) опюсительно земли в обмотке
•^упорного трансформатора:

мнг'пюе напряжение; 2 — началь-
-«нражсние

жения и подключаются к воздушным
и кабельным линиям.

Распределение начального и ко-
нечного напряжений и емкостная
схема замещения нерезонирующего
грозоупорного трансформатора по-
казаны на рис. 2.114. Как следует из
рис. 2.114, увеличение емкости на
входных витках приводит к более

равномерному распределению на-
пряжения между витками, что и по-
вышает стойкость трансформатора к
перенапряжениям.

Для выравнивания начального
напряжения применяют также экра-
нированные многослойные обмотки,
специальную укладку в дисковых
обмотках, шунтирование катушек
обмотки высшего напряжения нели-
нейными сопротивлениями. Р высо-
ковольтных трехфазных трансфор-
маторах с изолированной нейтралью
во избежание перенапряжений у ну-
левой точки включают разрядник, реактор и конденсатор. Такое усцщ
ство обеспечивает изоляцию нейтрали и снимает перенапряжения.

В последнее время все больше используются переплекшч
обмотки, в которых последовательное соединение витков отличает I
последовательного расположения их в катушках в сочетании с емк<« im
ми кольцами.

На заводах-изготовителях трансформаторы подвергаются tihiii |
ным высоковольтным испытаниям. Согласно ГОСТ, масляные Tpaim|i T
маторы подвергаются испытаниям синусоидальным напряжением к и
пульсным испытаниям волной 1,5/40 (длительность 40 мкс, мак(им»<
напряжения поступает через 1,5 мс). Ниже приведены значения исим|
тельных напряжений для трансформаторов:

Номинальное на-
пряжение, кВ
6
35
ПО
220
500

Синусоидальное
напряжение, кВ
25
85
200
325
680

Импульсное напря-
жение, кВ

60
200
480
750
1550

При эксплуатации трансформаторов нельзя допускать воздейспши i
их обмотки волн с амплитудой, превышающей допустимую.

Переходные процессы при перенапряжениях в автотрансформаторпм »
чественно могут анализироваться так же, как в трансформаторах, хотя шии
вые процессы в автотрансформаторах имеют некоторые особенности.

2.18. Специальные трансформаторы

Конструкции трансформаторов весьма многообразны, но их о(н.«ч
няет общность физических процессов и математического описания >и(
тромагнитного преобразования энергии. Термин «специальные 1|ыи
форматоры» условен, так как многие специальные трансформаторы |
пускаются сериями в больших количествах (реакторы, печные и сидр ,
ные трансформаторы), а другие, хотя и выпускаются мелкими серии и
имеют важные применения. Рассмотрим некоторые специальные цим
форматоры [9].

Трансформаторы частоты. Насыщенный нелинейный трансф<>|ш
тор в отличие от ненасыщенного является генератором гармоник, ми
рый условно показан в виде многополюсника на рис. 2.115. На ныхч
однофазного нелинейного трансформатора появляются высшие гармок*
—оЩ

Рис. 2.115. Насы-
щенный трансфор-
матор гт как гене-
ратор гармоник

• 1«магничивающего тока, а следовательно, и ЭДС,
< 1 |итуды которых при холостом ходе зависят от
I кривой намагничивания. При прямоугольном

*«> гере изменения В = f(H) ЭДС высших гармо-

Ф , Е, =	,..., Е, = -Ел,.... Еп = 1Е,.

3	5	i	п

их гармоники появляются при наличии в потоке
ми форматора постоянной составляющей (см. § 2.9).

Чтобы получить утроитель частоты, надо выде-
3-ю гармонику, а все остальные гармоники

••пыиить. Этого можно достигнуть путем вюпоче-
•* фильтров во вторичную обмотку. Схема с фильт-
.«•и громоздка и имеет мягкую выходную харакге-
•пику. В утроителях частоты применяется схема из
г. однофазных трансформаторов, включенных в
«рытый треугольник (рис. 2.116).

В схеме Y/Д в обмотках трансформатора, соединенных в треуголь-
ф, наводятся токи 3-й гармоники, совпадающие по фазе во всех трех
фин форматорах. Напряжение 1-й гармоники при соединении в откры-
•Й । реугольник равно нулю. Емкость конденсатора С, включенного во
Кричную обмотку, настраивается в резонанс по 3-й гармонике

||и| I = —-— ), чтобы компенсировать падение напряжения при нагрузке
За>,С

•  пать более жесткой внешнюю характеристику утроителя частоты.

Статические умножители частоты имеют низкое использование ма-
|»|4шлов, так как в лучшем случае при прямоугольной характеристике
. "И ничивания амплитуда 3-й гармоники составляет 33% амплитудного
•чения 1-й гармоники. Внешняя характеристика утроителя мягкая. Для

• пнсго использования материалов утроитель частоты применяют не

Ц;Л

Г»- 2.116. Утроитель частоты

только для получения 3-й гармоники, но и
как трансформатор по 1-й гармонике. Для
этого на магнитопроводе утроителя вы-
полняется третья обмотка, соединенная по
обычной схеме в звезду или треугольник.

В умножителях частоты гармоники
влияют друг на друга, так как их происхо-
ждение связано с внутренним сопротивле-
нием трансформатора zT. Это по существу
пространственные гармоники, хотя к
трансформаторам представление о про-
странственном распределении МДС не
подходит. Изменение нагрузки по одиоИ 
монике сказывается на других гармоники

Удкэение частоты получает? к • .
трансформаторов с подмагничиванием (| <• I
2.117). Однофазный трансформатор <«> 
иг из двух магнитопроводов и обмонф »1
ременного тока которая подключат к «М
сети U\,fi и охватывает оба магнито! i| и 
да. Обмотки подмагничивания w2 pacunJ
жены на разных магнитопроводах, и >I
1-й гармоники в них компенсируются I*
мотки, в которых наводится двойная чш га
та, расположены на двух магнитопрошьв
и включены так, что ЭДС 2-й гармоники складываются. Эти обмотки мЛ
гут быть совмещены с обмоткой подмагничивания.

При наличии подмагничивания и насыщения магнитной системм 
вторичной обмотке наряду с нечетными гармониками будут и чсщ*»
Среди них 2-я будет иметь наибольшую амплитуду, и в удвоителе чш м
ты создаются благоприятные условия для возникновения 2-й гармошЦ
напряжения. Как и в схеме утроения частоты, включение конденсации
благоприятно сказывается на внешней характеристике удвоителя часки J
так как конденсатор является источником реактивной мощности дам I
гармоники и фильтром для гармоник более высокого порядка.

Включая выход удвоителя или утроителя частоты на вход другою «
воителя или утроителя, можно получить еще раз умножение частоты. Касмм

ные схемы двух удвоителей дают учетверение частоты, двух утроителсп
удевятерение. Каскадное включение удвоителя и утроителя дает 6-ю га]>>»

нику. Обычно больше двух умножите-
лей в каскад не соединяют.

Для целого ряда электромехани-
ческих систем требуется пониженная
частота, например 25; 162/3 Гц, поэто-
му представляет интерес создание ста-
тических делителей частоты.

Схемы удвоителей, утроителей и
умножителей частоты необратимы. Если
подводить напряжение к обмотке w2
удвоителя частоты, то снять с обмотки
Wi напряжение с частотой в 2 раза
меньшей, не удается. Это объясняется
тем, что в основе работы умножителей
лежит нелинейность характеристики

Рис. 2.118. Схема и векторши
диаграмма трансформатора 3/6 <jmi
Рис. 2.119. Преобразование трехфазной сис-
темы напряжений в 12-фазную

шичивания, а одна из
Чи нностей нелинейной сис-
К — различие взаимных
•активностей между обмот-
>Л/12*М21.

Для деления частоты
«•меняется схема, показан-
* нп рис. 2.117. В обмотках
щютекают пульсирующий
• постоянный токи. Для
4'ни делителя частоты
Jkr большое значение на-
фте второго нелинейного
•мента — вентиля. Разложе-
• |ока и МДС вторичной
<~1гки в гармонический ряд
• субгармоники — гармо-
«III с частотами ниже ос-
•-ной, которые трансформи-
руйся в нагрузку.

В Электромагнитные де-
•«'1И частоты работают
юйчиво и применяются
В|нительно редко.

Трансформаторы чнс-
• фаз. Хотя трехфазная
фигма напряжений являет-
। основной в промышлен-

•> ги, широко используются однофазные, двухфазные и шестифазные
I  мы. Однофазные системы применяются в тяговых сетях и для пита-
«« (лектропечных и нагревательных установок. Двухфазные системы
•пользуются в системах автоматического управления. Шестифазные сис-
В| применяются в преобразовательных установках, обеспечивая снижение
• । синий выпрямленного тока.

В мощных турбогенераторах для снижения тока в параллельной вет-
• обмотки статора применяется шестифазная обмотка. Шестифазная
»нгма напряжений преобразуется трансформатором, работающим в
м е с турбогенератором, в трехфазную систему.

Преобразование трехфазной системы напряжений в шестифазную
♦ । водится по схеме рис. 2.П8. Шестифазная система в трехстержне-
- |рансформаторе получается за счет вторичной обмотки со средней
•гчой. Для получения из трехфазной системы 12-фазной при трехстерж-
223
Рис. 2.120. Схема и векторная ди;нримя
преобразования трехфазной системы и дч(
фазную

невом трансформаторе приме-
няют схему звезда — двойной
зигзаг (рис. 2.119). Возможно
применение и других схем.
Например, при шестистержне-
вой конструкции трансформа-
тора по схеме звезды со сред-
ней точкой преобразование 6/12
аналогично преобразованию 3/6.

В трансформаторах числа
фаз, как и в обычных транс-

форматорах, энергия может передаваться из первичной обмотки но иа
ричную и из вторичной в первичную. Поэтому преобразователи числи
могут преобразовывать трехфазную систему напряжений в многофли, .
и многофазную в трехфазную.

Двухфазную систему из трехфазной получают путем приме
двух однофазных трансформаторов (рис. 2.120), включенных по и<-<|Л
метричной схеме. Число витков в одном трансформаторе в 3/2 раз бс и *• 1
чем в другом, и он имеет среднюю точку. Эта схема предложена в шецЛ
века Скоттом. Преобразование числа фаз иллюстрируется векторной
граммой.

При холостом ходе в этой схеме двухфазные напряжения
ричны. Однако при нагрузке симметрия двухфазных напряжений исшоЛ
ется из-за того, что схема Скотта несимметричная — для фаз а и 0 тч I
реннее сопротивление источника энергии различное. Это является ш-ш-Л
татком схемы преобразования числа фаз 3/2.

Трансформаторы для электрических печен. На электротерм . I
и электролиз расходуется значительная часть вырабатываемой в < i|4 I
не электроэнергии. Основным потребителем электроэнергии в >о«1
отрасли являются дуговые электрические печи, работающие на одм I
фазном или трехфазном токе низшего напряжения. К высоковолыиь
сетям печи подключаются через понижающие трансформаторы м
вторичным напряжением в сотни вольт. Мощность трехфазных н> я I
ных трансформаторов для дуговых сталеплавильных печей доспи  .
25 MB-А. Трансформаторы имеют ступенчатое регулирование niui|4 I
жения от ПО до 420 В. Токи во вторичной обмотке достигаю! -
скольких сотен килоампер.

Вторичная обмотка печных трансформаторов выполняется с
шим числом параллельных ветвей, имеющих всего один-два витка 11|
концентрических обмотках для более удобного выполнения выводи
концов обмотка низшего напряжения размещается снаружи, а выспи
вольтная — ближе к магнитопроводу.
Ввиду малого числа витков вторичной обмотки отводы и выводы
• пых трансформаторов имеют активные и реактивные сопротивления,
*нкие к сопротивлениям обмоток. При проектировании трансфор-
фюров принимаются меры для снижения индуктивного сопротивления
дов. Для этой цели отводы выполняются чередующимися, когда в
 цних отводах токи имеют встречное направление.

11ечные трансформаторы непрерывно работают при переменной на-
k те, которая колеблется от режима холостого хода до режима коротко-
• «чмыкания при несимметричном распределении нагрузки по фазам.
'•*<-лые условия работы печных трансформаторов требуют тщательного
»'ttта электродинамических усилий и надежности трансформаторов,
фи траничения токов короткого замыкания иногда в первичную обмот-
•» Ю иючают реакторы.

К печных трансформаторах осуществляется регулирование напряже-
И и пределах ±50 % номинального значения. Напряжение регулируется
|*»1 кичной стороны, а также со вторичной путем переключения отдель-
групп витков с параллельного на последовательное включение.

( 'варочные трансформаторы. Зажигание и устойчивое горение дуги
Мрг место при напряжении 40—70 В. Для качественной сварки требуется
•риопадаюи внешняя характеристика трансформатора с ограниченным
Ком короткого замыкания. Сварочные трансформаторы осуществляют
•иижение напряжения и обеспечивают необходимую внешнюю характе-
шку U2f(J2) со значительной индуктивностью в цепи нагрузки

<• <р = 0,4-ь 0,5) (рис. 2.121).

Индуктивность цепи на-
•rtuii при сварке должна
। '.ироваться. Для этой це-
• применяются трансформа-
1>ы с включением в цепь
loviKH реактивной катушки
I регулируемым воздушным
•трем 8 (рис. 2.121). Регу-
•ронание воздушного зазора
(Лично осуществляется вруч-
фо Вместо схемы с реак-
 ной катушкой применяют-
 (рансформаторы с увели-
*iiii.jm магнитным рассеяни-
 Увеличение индуктивного
1111(4 явления рассеяния в
рочных трансформаторах

Рис. 2.121. Сварочный трансформатор с
реактивной катушкой и его внешняя харак-
теристика
достигается тем, что первичная и вторичная обмотки располагав><«।
разных стержнях. При увеличении тока нагрузки во вторичной оимиц
поток вытесняется из стержня и напряжение на вторичной обмотке но
ет. При расположении обмоток на разных стержнях магнитная связи «и|
ду обмотками уменьшается и ток нагрузки оказывает значительное в н
ние на режим работы трансформатора. В этом случае в трансформп  .<
проявляется реакция вторичной обмотки. В обычных трансформ и н>| а»
реакция вторичной обмотки сказывается менее заметно, так как о(>м»и
располагаются друг над другом и коэффициент электромагнитной । пг
[см. (2.2)] не изменяется. Изменение коэффициента электромап ш о-
связи при нагрузке обеспечивается в трансформаторах с магии пн
шунтами. При насыщении шунта поток вытесняется в стержень и п>н ।
жение на вторичной обмотке увеличивается.

Трансформаторы для выпрямительных установок. Трансформ
торы, для которых нагрузкой являются цепи с нелинейными элемешпм»
виде выпрямителей, тиристоров и транзисторов, работают в высокий

тотных переходных режимах, когда токи и напряжения во вторичной о

мотке несинусоидальны и не уравновешиваются токами первичной о

мотки. При этом непрерывно нарушается равенство МДС первичной
вторичной обмоток, а в трехфазных тиристорных преобразователях bt|<
исходят несимметричные короткие замыкания. Неуравновешенные М I

подмагничивают магнитную систему, в обмотках трансформатора npui

Рис. 2.122. Схема транс-
форматора с уравни-
тельной катушкой меж-
ду нейтралями

кают несинусоидальные токи. Все это пришЩ
к снижению мощности трансформатора по
нению с трансформатором, работающим ни 4
нейную нагрузку.

Для снижения пульсаций увеличиваю! ч*
ло фаз трансформатора. Для ограничения том<
шестифазных выпрямительных схемах npiM
няют включение уравнительной катушки И
между нейтралями двух трехфазных групп <юм
ток (рис. 2.122).

Трансформаторы звуковой и ультра i«|i
ковон частот. Трансформаторы звуковой •
ультразвуковой частот применяются в ycipo№ i
вах связи, электроники и автоматики. Мощшк ।
таких трансформаторов может достигать дни
ков ватт, а частоты — до 100 кГц. При
трансформаторы должны пропускать всю по...

частот усилителя. Такие трансформаторы шпм
ваются микротрансформаторами. Минимален
искажение напряжений на первичной •
Рис. 2.123. Схема замещения высоко-
частотного трансформатора

Иной обмотках достигается

to применения специальных
снижения индукции и
I шипения потоков рассеяния.

('ожность расчета трансфор-

•> ч-ов звуковых и ультразвуковых
связана с необходимостью
емкостных сопротивлений

ок, которые при частоте 50 Гц

 Распределенные емкости приводятся к выходным выводам вторич-
»мстки (рис. 2.123). На схеме замещения С’о — приведенная ем-
Мь 1рансформатора; г)2 — активное сопротивление, эквивалентное
*рим в стали и диэлектрике.

' реди микротрансформаторов особое место занимают импульсные
форматоры или пик-трансформаторы, которые обеспечивают получение
, . „шческих импульсов напряжений—пиков напряжений (рис. 2.124).

Пик-трансформаторы выполняются двух модификаций: с магнито-
(ом из стали с прямоугольной петлей гистерезиса или с магнито-
BtoJlOM, имеющим насыщенный участок. В пик-трансформаторах при
|П иидальном напряжении на первичной обмотке всплеск напряжения
•прочной обмотке получается при изменении потока. Когда сердеч-
| насыщен, поток почти не изменяется и напряжение U2 = 0,
</ф

—— и 0, при изменении потока на вторичной обмотке наводятся
at

••н напряжения (рис. 2.124). Для обеспечения синусоидальности тока и
 • чтя перенапряжений в схему вводится активный резистор.

Ito 2 124. Зависимости Ф и «2 от
• ••> ни в пик-трансформаторе .

Реакторы. Они применяются
для ограничения токов короткого
замыкания и в качестве фильтров
токов ьысших гармоник. Конструк-
ция реактора сходна с конструкци-
ей трансформатора, только реактор
имеет одну обмотку (рис. 2.125).

В последние годы в электро-
приводах усиленно внедрялись сис-
темы с преобразователями со ста-
тическими нелинейными элемента-
ми. Большая установленная мощ-
ность нелинейных элементов при-
вела к появлению в энергосистемах
ф

Рис. 2.125. Однофазный реактор
с немагнитными зазорами

токов высших гармоник, вредно влияк>п
на работу оборудования. Для ограничь
напряжений и токов высших гармш
применяются реакторы-фильтры.

В установившемся режиме в эш pi
системе количество потребляемой ни
троэнергии (с учетом потерь) разни* I
энергии, выработанной на электрш 11
циях. В переходных режимах энс|И
запасается в виде кинетической э>к-|»
вращающихся частей электрических

шин или в магнитных полях электротехнических устройств. При ум
шении частоты сети или отключении электрических машин и трансф
маторов запасенная в магнитных полях энергия преобразуется в акпшн

энергию. Для ограничения токов короткого замыкания, ретулироппп

реактивной мощности и улучшения характера протекания перехн.п

процессов применяются реакторы.

Если в трансформаторе выполнить одну обмотку, получится р
тивная кагушка, которая будет запасать реактивную мощность в стали
магнитопроводе. Однако реактивная мощность, которая может &
сконцентрирована в 1 см3 магнитопровода, невелика, а индуктивное
противление нелинейно зависит от напряжения. Поэтому наибольшее рж.1
странение получили реакторы с немагнитными зазорами (рис. 2.125).

Реактор с немагнитными зазорами обычно выполняется брош-и
типа с разделением зазора на несколько частей. Зазоры для увели*»
динамической стойкости реактора заполняются гетинаксовыми пром
ками. Энергия в таких реакторах в основном концентрируется в зазор»
определяется индукцией и объемом суммарного зазора. При корон

замыканиях в реакторе возникают усилия, стремящиеся уменьшить >н

гию системы, т.е. сжать зазоры, поэтому
делают несколько зазоров и заполняют их
прочными диэлектриками. Реакторы с за-
зорами имеют практически линейные ха-
рактеристики.

Для ограничения токов короткого за-
мыкания в сетях 6 и 10 кВ применяются
бетонные реакторы (рис. 2.126). Бетонные
реакторы изготовляют из концентрически
расположенных витков круглого много-
жильного провода 1, который заливают в
бетонные колонны 2. Обмотки рассчиты-
вают на токи в тысячи ампер и усилия,

Рис. 2.126. Одна фаза flu
ного реактора
• игающие сотен тысяч ньютонов. Все металлические детали реактора
 илняют из немагнитной стали.

Реакторы изготовляют также с регулируемым реактивным сопротив-
•»>ием, что достигается путем переключения числа витков, подмагничи-
•• ,и. магнитопровода и плавного изменения зазоров. Примером таких
• горов мотут служить выпускаемые промышленностью однофазные
• г мляющие реакторы с естественным масляным охлаждением, которые
в йп пять ступеней регулирования тока [9].

Сверхпроводящие индуктивные накопители. Развитие новых от-
ф лей техники требует создания источников энергии 106—108 Дж с им-

< ими мощностью до 1013 Вт.

В сверхпроводящем индуктивном накопителе энергия может хра-
•нм я сколь угодно долго практически без потерь. Накопитель разряжа-
Нм> когда в сверхпроводящую цепь вводится активное сопротивление,
рмиттель может заряжаться от маломощных источников энергии.

I !ринципиальная схема сверхпроводящего индуктивного накопителя
• tuna на рис. 2.127. Накопитель состоит из выемной части — катушки —
• гриостата. Катушка 1 имеет секции, образующие параллельные ветви,
ценные перегородками 2. Катушку наматывают многожильным об-
•и очным кабелем со сверхпроводящими жилами из сплава ниобий—

Секции и перегородки укрепляют на каркасе 3, который через трубу
Ш1псски 4 прикрепляют к крышке 5. Накопитель имеет высоковольтный
6 и заземляющий ввод 7.

Криостат состоит из двух самостоятельных сосудов, образующих ге-

иый объем 8 и азотную ванну 9.
 сосуда разделены вакуумными
фмистями 10.

1 Сверхпроводящие накопители
и высокое значение индукции —

Гл и среднюю плотность тока
н’ 105 А/см2 при температуре
I ' К.

Расчет усилий, действующих
1" разряде на витки и конструктив-
 части накопителя, представляет
гдиую задачу. Точность решения
•я' дсляется расчетом магнитного
• >i в этой, на первый взгляд, про-
'•Ишсй магнитной системе. Для

Рис. 2.127. Сверхпроводящий индук-
тивный накопитель

•кч тления продольной и попереч-

t i оставляющих магнитного поля
накопителя применяют ЭВМ, на которых составляющие поля в кажл. <
точке рассчитывают в течение нескольких минут. Для расчета индук иф
ностей используют методы средних геометрических расстояний, коим*
ных разностей, конечных элементов, интегральных уравнений.

2.19. Подход к проектированию трансформатороп

Глубокое знание теории электромагнитного преобразования энсрпм
в трансформаторах необходимо для их проектирования и эксплуатации

В техническом задании на проектирование трансформатора ука ii.im 
ется: номинальная мощность; число фаз; частота; номинальные линелп
напряжения первичной и вторичной обмоток; схема и группа соедиь пип
способ охлаждения; характер нагрузки (продолжительный или повторит
кратковременный) ; потери холостого хода, ток холостого хода (%), и«
пряжение короткого замыкания ик % и потери короткого замыкания.

Расчет трансформатора производят в следующей последовательно!  и

После принципиального выбора конструкции магнитной сисгсмн
обмоток и системы охлаждения определяют линейные и фазные токи, i
затем главные размеры трансформатора.

Главные размеры dw.1 трансформатора (рис. 2.128) определяют л.»
тромагнитную мощность трансформатора:

P3M~d2/.	(2.1 И

При проектировании широко используются опытные коэффициент
полученные из практики электромашиностроения.

Чтобы определить внешний диаметр обмотки низшего напряг чип

Рис. 2.12Я. Расчетная схема
трансформатора

пользуются соотношением D = aJ, где a •
» l,33-s-l,45 для трансформаторов с медноП »
a « 1,41-5-1,54 с алюминиевой обмотками

Важное значение для распреде.-чип
массы трансформатора между медью mm
лью имеет соотношение

nD _ and

(2.1 .li

которое для силовых трансформатор.. ч.
меняется в пределах от 1,1 до 3,5. Бблыпим
значениям 0 соответствуют трансформ.пи-
ры с большей массой стали и меньшей мт 
сой меди, а меньшим значениям р — трин.
+  -маторы с большим объемом меди и меньшей массой стали.

Из (2.161) находят (4,2 ч-4,6)для медных и /~ (4,4 + 4,8) ~ —

Ы* алюминиевых обмоток.

Далее выбирают электромагнитные нагрузки: В — индукцию в
 ржне и J — плотность тока. Обычно принимают В = 1,4+1,65 Тл, а
/ 1,8ч-2,8-106 А/м2 (для трансформаторов с медными обмотками и мас-
htiiJM охлаждением). Для алюминиевых обмоток в трансформаторах с
(ргляным охлаждением 1,2ч-1,8-106 А/м2. Для сухих трансформато-
1-ин с медными обмотками J » 1,2+2,6-106 А/м2, а с алюминиевыми J »
• 0.8+1, ЗЮ6 А/м2.

Выбор заниженных электромагнитных нагрузок приводит к увеличе-
•и») габаритов трансформатора и его стоимости. Завышенные электро-
ны нитные нагрузки снижают энергетические показатели, увеличивают
<. %. При проектировании стремятся в известной мере удовлетворить
В|1О1иворечивые требования и создать оптимальную конструкцию.

I [равильный расчет изоляционных промежутков между обмотками и
МЫ иитопроводом имеет важное значение для надежной работы транс-
форматора. Промежуток между обмоткой низшего напряжения и ярмом
принимается от 0,4 до 3 см в зависимости от мощности и напряжения
(•инсформатора. Большие значения относятся к трансформаторам боль-
Ьй мощности, а также к трансформаторам с напряжением 35 кВ. Обмот-
• и высшего напряжения 220 кВ должны иметь расстояние 16 см до
.«ржня и 25 см до стенки бака.

11ри конструировании изоляции необходимо учитывать особенности
процессов перенапряжения в трансформаторе.

Важное значение при проектировании трансформаторов, как и дру-
I электрических машин, имеет тепловой расчет. При тепловом расчете
«прсделяют температуры частей трансформатора и масла. Температура
»||>ияции обмоток не должна превышать допустимой для класса изоля-
«••ц, к которому относятся материалы изоляции обмоток.

Потери в трансформаторе выделяются в виде тепла в обмотках и маг-
•икшроводе. ГОСТ допускает следующие наивысшие значения температу-
ры для масляных трансформаторов: для обмоток 105 °C; для магнитной
 к к-мы (на поверхности) 115 °C и для масла 95 °C. При этом температура
яружающего воздуха принимается равной 40 °C. При превышении допус-
1имой температуры на 8 °C срок службы трансформатора снижается в 2 раза.

В масляных трансформаторах тепло, которое выделяется в активных
|ях трансформатора, отводится трансформаторным маслом к стенкам ба-
М, п от стенок бака — к окружающему воздуху (рис. 2.129). В масляных
|рчнсформаторах тепло от обмоток и магнитопровода передается маслу. Го-
Рис. 2.129. Распределение температуроы по
высоте трансформатора:

1 — стенки бака; 2 — масло; 3 — магнитогцмровод,
4 — обмотка

рячие слои мт iiB 1*«4
ся вверх, а мню <<
стенок бака ниц»*
Тепло KoiiiickiiiH и !•(,
к стенкам баки <
бака тепло пг|н ш»
ПрОВОДНОСII.IO PillfiiHfl
ратур между i if и.	•

воздуха еш nih'i.. ।
градусов, по ному й'
воздуху ICHJIO ||| |№4Я
векцией и iiins •»> ю. |

На pm ? I Ui ц
но распределение iHt
в сечении ipaiu фирм

В сухих трансформаторах тепло отводится от акi инны.ч мн» 
конвекции.

При расчете тепловых процессонз в трансформаторах приин
лый ряд упрощений и используют опьэытные данные по iciuiihi» j

В установившемся режиме тепг.-.пл, выделяемое и пи пинт
трансформатора, отводится от транс ^форматора, a iipciiiJiin'iiiw t
туры не превосходит допустимого д^ля класса изоляции, кпн<р«а
йена в трансформаторе.

Трансформаторостроение
за последние десятилетия
сделало большие успехи, и
сегодня трансформаторы,
выпускаемые в нашей
стране, находятся на уров-
не мировых стандартов, а
в области высоковольтных
силовых трансформаторов

занимаем
позиции.

лидирующие

Запорожский трансфор-
маторный завод выпустил
для линии передачи пере-
менного тока самый мощный
однофазный автотрансфор-
матор АОД1 (Т-667000/1150
(рис. 2.131). В трансформа-
торе применена новая схема
232

Рис. 2___130. Распределение icmh»|ihi

ризонта~альном сечении маслиною щ
тора:

1 — сте^эржень; 2 — обмотка НН, I
4 — стежгчка бака
<4 иПмигок, усовершенствована конструкция изоляции. Авто-
М«н>р |ранспортируется вместе с маслом железнодорожным
прим । ру чоподъемностью 600 т.

, ни форматор имеет следующие данные:

I Him мощность, кВ-А:
ин высокого и среднего напряжений...........667	000

ни ни иного напряжения....................180000

 'BHi'H-Hor напряжение обмоток, кВ:

► ими шпгряжения............................... U50/V3

। м и» пппряжения......................... 500/V3

мтмн пппряжения.................................20

короткого замыкания, %...............11,5

нно хода, %.............................0,35

Ры. мм ...............................15640x7250x17000

 м	.................................580000

Iы>• и 11 и х грансформато-
• Ириш форматоров бук-
| |1Ы| имеют следующие

ни । о грансформатор

►фирма юров обозначе-
► •ин'О;

1|н кфнчный, О — од-
ft

р<м ни пленная обмотка
Мори* синя;

пнн охлаждения (табл.

>1 Хи(>мо точный;

выполнение одной из
к переключением от-

| пни ши ручкой.

- шиле дроби после

»• |И>о1пачсний указы-
I ицн1111||,пая мощность, а
о »лг класс напряже-
нки пысшего напряже-

ние. 2.131. Трехобмоточный однофазный
автотрансформатор с принудительной цир-
куляцией масла мощностью 667 000 кВ-А
Вид охлаждения	Условное обозначение
Сухие трансформаторы	
Естественное воздушное (при открытом исполнении)	С
То же при защищенном исполнении	сз
То же при герметизированном исполнении	сг
Воздушное с дутьем  Масляные трансформаторы	сд
Естественное масляное	м
Масляное с дутьем и естественной циркуляцией масла	д
То же с принудительной циркуляцией масла	дц
Масляно-водяное с естественной циркуляцией масла	МВ
То же с принудительной циркуляцией масла	ц

Трансформатор типа ТЦ-1250000/330 предназначен для работы и м
честве главного повышающего трансформатора в блоке с турбогенсрпн
ром 1000 МВт. Трансформатор ТЦ-1000000/500 предназначен для ра(и>и*
в блоке с турбогенератором 800 МВт. Эти трансформаторы имени
вершенствованную конструкцию изоляции, направленную циркулиин
масла через обмотки низшего напряжения, высокоэффективную с мм»
распределения потоков рассеяния. Контрольно-измерительная аппарапр
допускает включение трансформатора в автоматизированную си< н ч|
управления блоком.

Трансформаторы ОРЦ-417000/750 и ОРЦ-135000/500 предназначь^
для работы в блоке с генераторами в качестве повышающих трансформ*
торов на атомных и тепловых электростанциях. В конструкции цып.
форматоров применена усовершенствованная система шунтироп.....и

магнитного потока рассеяния; благодаря новым конструктивным решит
ям уменьшены главная и продольная изоляции. Применены фильтры нт
кой очистки масла.

В табл. 2.3 приведены технические данные трансформаторов
I ИИ  •du. форматора	Номинальная мощность. кВА	Номиналь- ное напря- жение обмо- ток, кВ		Схема и группа олотлтоипо	1	Напряжение |	короткого замыкания, %	Ток холостого хода, %	Габариты, мм, 1*ВхН	Масса, т
		выс- шей	низ- шей							
1 1 .'40000/330	1 250 000	347	24	Y„/A—11		14,0		0,75	14100х5460х х8700	635
1000000/500	1 000 000	525	24	Y„/A— 11		14,5		0,29	13200х5550х  X10200	570
•гЦ 135000/500	135 000	525/3	13,8	Y„/A—11		13,3		0,4	7300х2520х х10500	145
..III-  । ^иЮ/220	160 000	230	Il- li—  38,5	Y„/A—  A—Il- li		12,0		0,5	6000x12300х х7550	236
h|l II 40000/110	40 000	115	11	Yh/Y„/A- 11—0—1	1	10.5		0.6	6750х4680х х6250	81
Jill ’.5000/110	25 000	115	6,3	Y„/A— A  —11—11		10,5		0,65	5800х4200х х5300	52

Масляный трехфазный трансформатор типа ТМ-250/10 имеет витой
Ч ж фанствечный магнитопровод. При изготовлении трансформатора
^вменяется технологический процесс вмотки обмоток на замкнутый
литопровод. Серия трансформаторов обеспечивает снижение массы и
Mb.ipnroB на 5%. Расход электротехнической стали уменьшен на 8%,
ипсны также энергетические характеристики трансформатора.

Масляные трансформаторы серий ТМ, ТДЦ, ТМТН, ТРДЦН, ТЦ
ни . о назначения выпускаются на напряженияния 10, 35,110 и 220 кВ и
Н1Ц1ЮСТИ от 25 до 630 000 кВА.

Грансформаторы трехфазные сухие защищенные общего назначения
Mpiiii ТСЗ предназначены для установки в помещениях. Они пожаробе-
писиы. Трансформаторы снабжены защитным кожухом, предохраняю-
щим активные части от попадания внутрь посторонних предметов и не
*ь*пягствующим поступлению охлаждающего воздуха.

В табл. 2.4 приведены данные для наименьшего и наибольшего по
«нцпости трансформаторов серии.

Грансформаторы малой мощности применяются для питания быто-
*1ч приборов, в радиотехнике, электроприводах и т.д. Их номенклатура
«и ьма разнообразна. В табл. 2.5 приведены данные однофазных сухих
hiil форматоров многоцелевого назначения серии ОСМ. Трансформато-
иыпускаются для умеренного климата, в тропическом исполнении и
। юдостойкие. Мощность трансформаторов 0,063; 0,1; 0,16; 0,25; 0,4;
.1 и 1 кВ-А. Напряжение 0,38 и 0,22 кВ.
Тип трансформатора	Номинальная мощность, кВ-А	««,%	Потери, Вт		Io, %	Габариты, мм, L*B*H	
			ХОЛОСТОГО хода	короткого замыкания			

Двухобмоточные на напряжение 660 В

ТСЗ-10/0,66	10	4,5	90	280	7	650x700x440	IW
ТСЗ-160/0,66	160	4,5	710	2060	2,3	1150x1150x680	|м

Двухобмоточные на напряжения 10 и 15 кВ

ТСЗ-160/10	160	5,5	700	2700	4,0	1700x1800x950	141*
ТСЗ-1600/10	1600	5,5	4200	16000	1,5	3200x2650x1350	Г|Ц<|
ТСЗ-250/15	250	8,0	1100	4400	4,0	1850x2300x1200	
ТСЗ-1600/15	1600	8,0	4300	16000	2,0	3200x2600x1350	П№>1

Таблици J

Тип трансформатора	Мощность, кВА	/о, %	Ь«, %	Габаритн, мм  LkBkH	Масса, ы
ОСМ-0,063	0,063	24	12	84x115x95	1.4
ОСМ-1,00	1,00	18	2,5	165x210x185	14.4

Электропромышленность выпускает в большом разнообразии ipni
форматоры специального назначения для различных применений. Гриш
форматорный агрегат ЭОДЦНК-83300/220 предназначен для шиита
мощных ферросплавных электропечей. Подключается к сети 220 кН «*
мотка высшего напряжения переплетенная, обмотка низшего напряи» иа
выполнена из листовой меди. Переключающее устройство сделано пн
лированном отсеке. Число ступеней регулирования 27. При мощнш «
26700 кВ-A и вторичном напряжении 0,325 кВ ток в обмотке пинии
напряжения 82156 А. При мощности 18690 кВ-A и напряжении на обма
ке низшего напряжения 0,175 кВ ток во вторичной обмотке 106800
Масса трансформатора 152 000 кг.

Для питания тиристорных приводов постоянного тока предначшч**
трансформатор ТСЗП-4000/10. После выпрямителя напряжение 82 s II •
ток 4000 А. Для питания тиристорных преобразователей электропрппи^
экскаваторов выпускаются трансформаторы, способные выдерж1'1»н«
ударные и вибрационные нагрузки. Они рассчитаны на работу при
шеннрй запыленности и температуре -50 °СЛ
Для питания электробуровых установок предназначен трансформа-
Ш 1МТБ-630/10. Особенностями работы трансформатора являются од-
•I' менное питание электробура и лебедки подъема колонны буриль-
|]>уб, а также широкий диапазон регулирования напряжения питания
>ipo6ypa.

Трансформатор ТМПН-160/2,05 предназначен для питания асин-
лпых двигателей напряжением 380 В погружных электронасосов для
' । чи нефти. Для поддержания напряжения на асинхронном двигателе
К увеличении глубины скважин предусматривается ступенчатое регу-
«Ф‘|иание нанапряжения: 2200—2125—2050—1975—1900 В. Масса
« форматора 1100 кг.

Для питания пониженным напряжением машин контактной сварки
£(нвшачен трансформатор ОСВК-25/75. Номинальный длительный ток
щжи низшего напряжения 9000 А. Номинальный ток в повторно-
•» современном режиме 25 000 А. Число ступеней регулирования во-
wm Масса НО кг.

Для электроснабжения промышленных предприятий, для электрифи-
вни сельского хозяйства выпускаются комплектные трансформаторные
Ь 1шщии, которые состоят из силового трансформатора и распредели-
to иною устройства со стороны низшего и высшего напряжений. Для
•1 «ния двигателей в угольных шахтах выпускаются взрывозащищенные
форматорные подстанции (рис. 2.132).

Для обеспечения надежной работы энергосистем выпускаются раз-
 'Инс реакторы. Шунтирующие реакторы предназначены для компен-
иии зарядной мощности линии и ограничения перенапряжений после
«AfHiui нагрузки или короткого замыкания, обеспечения непосредствен-
•ио присоединения линии к источнику питания. Применение в электро-
э "1ч>дах тиристорных преобразователей приводит к появлению в сетях
•• шнх гармонических. Для фильтров высших гармоник на стороне пе-

te 1.132. Взрывобезопасная трансформаторная подстанция ТСВИ-250/^мощ-

•- inn 250 кВ-A, напряжением 6 кВ
о

о

«р

+—J
dt

dt

-Л/гор

о



где usa, Up —напряжения на обмотках статора; i’, i', ip и ip — и»и

обмотках статора и ротора по осям а и 0; г', г', грг и Гр — акпич•> •

сопротивления обмоток статора и ротора по осям а и Р; Lsa , Lra , Lр и I p i
полные индуктивности обмоток статора и ротора по осям аир т
число фаз.

Полные индуктивности

L = M + La,

где М— взаимная индуктивность между обмотками статора и розори >
осям а и Р; La —индуктивность рассеяния обмотки.

Уравнения (3.3) и (3.4) описывают процессы преобразования энгрц
в асинхронных машинах в переходных и установившихся режимах.

Уравнения напряжения в непреобразованной записи из (3.3) iii.ii и*
дят следующим образом:

S	S ‘S	rs -S	. ..f

lia=rala+—Laia+-:Mia;

dt	dt

°Mi’a+r“+ItL'ai'a++M(s>ri* ’

О = -Л/ш/	+rp% +-^-Lrpi'+^MiSp-

Up~~dt + Г₽ Z₽ + ~dt ^₽/₽’

Уравнения для неподвижных обмоток записываются так же, как шк
трансформаторов, а в напряжениях вращающихся обмоток есть тр.ии
форматорные ЭДС и ЭДС вращения (3.3)

-AAopi* -Lraa/a.

(14
Уравнения (3.3)—(3.4) записаны для псевдонеподвижных обмоток
цк>рп при условии сохранения тех же токов, потерь и реактивной мощ-
in. что и в реальной вращающейся машине. Напряжения на обмотках
> «игра и ротора машины уравновешиваются трансформаторными ЭДС и
• И вращения [см. (3.5)].

Дифференциальные уравнения (3.3), (3.4) не имеют аналитического
мания, так как содержат произведения переменных (3.4). Поэтому воз-
им иы приближенные решения, и для исследования этих уравнений ши-
fei> применяются ЭВМ. Чтобы получить из дифференциальных уравне-
«и асинхронной машины (3.3), (3.4), комплексные уравнения, описы-
« ниие установившиеся режимы работы асинхронной машины, надо заме-

нг>- оператор дифференцирования — /о. Уравнения напряжений асин-
dt

Ф иной машины в установившемся режиме из (3.3) имеют следующий вид:

О = jaMIsa + г'Га + j&LrJra + £' ®p j; + Мыр1р;

0 = -M(opi’a - Lra&rira + Гр I' + jaLpip + joMip;
й^^Гр+г;Гр+^рГр.

Уравнения напряжений и уравнение движения в установившемся ре-
•нм< могут рассматриваться независимо друг от друга, поэтому проана-
чмчруем только уравнения напряжения.

Гак как рассматривается симметричная машина, целесообразно па-
ль гры обмоток статора обозначить Ls = Lsa = Zp и Rs = г J - , a рото-
pl /, = Lra= Lp и Rr = r' = Гр . Переходя в установившемся режиме к ин-
ч минным сопротивлениям, получаем

jaLs = jaM + jaL^;

j&Lr =	,	(3.8)

 mL, и (»Zr — полные индуктивные сопротивления обмоток статора и
, пора; х0=а>М — индуктивное сопротивление взаимной индукции;

• тЕа, хг = (£>Lra — индуктивные сопротивления рассеяния обмоток
ц«к>ра и ротора.

От четырех уравнений напряжений (3.7) при анализе установивших-
• процессов в асинхронной машине можно перейти к двум, если обра-
<н1н я к обобщающим векторам напряжений, токов и сопротивлений (см.
। I 14). Введя обозначения для результирующих векторов напряжений
статора и ротора Ua, Ur, токов /, и а также для сопротивлений
и индуктивностей L„ L„ из (3.7) получим

V. = Rj, + jaL,j, + J(nMir;

О = RrIr + ]&LrIr + jaMI3 - jM<nvls- jLrafIr.\

Считая, что мощность в асинхронном двигателе передается <н
мотки статора к обмотке ротора, и учитывая, что х0 = <оА/, х, «Ц

о

xr = <oLa и относительная частота вращения v = —, имеем

®с

us = Rsis+jxJ,+jxois+jxoir-,	1

о=-Rrir - jxjr - Jxoir - jxois+jxoisv+jxoirv+jxrirv. I

Вводя замену переменных /0 = Ia + Ir, из (ЗЛО) получаем

Us=Rjs + jxs'ls + jxoio-,	|	j

o=-Rrir -M(i-v)-jVo(1-v).J

Cl). -<B

Используя в (3.11) выражение для скольжения s =--------  !

находим

Us=R,i, + JxJ,+jxoio; 1	I

0 = -RrIr - jxrirs - jxoIos]

Далее, вводя ЭДС при холостом ходе Ёо = -jxoio, переходим

уравнениям асинхронной машины в следующем виде:

^=-4+^Л+АЛ;

0 = Ёоа - Rrir - jxrirs; 

Электродвижущая сила Ёо, или, как ее иногда называют, про и»
ЭДС, уравновешивает напряжение сети. Когда машина подключена ъ

при нагрузке на валу, равной нулю, Us « -Ёо и в обмотках машины i
близки к нулю.

При дальнейшем рассмотрении теории установившихся ре»им4
асинхронной машины целесообразно пользоваться сопротивлениями i it
тора и ротора
zs=Rs+jxs', zr=Rr+jxr.

Поделив второе уравнение в (3.13) на s, получим уравнения асин-

*еинпп машины

Us=-E0 + lszs-,
o^Eo-ir^--jxriri-
s

k=k+ir-

(3-14)

R	1 — 5

I пи как — = Rr + Rr---, то подставив это выражение в (3.14), по-

5	5

* <им уравнения асинхронной машины, похожие на уравнения транс-
рмиюра:

U,=-Eo+i,z,-,

0 = EB-irzr-irRr—;

i0=is+ir.

(3.15)

Уравнения (3.15) описывают процессы электромеханического преоб-
Сржания энергии в асинхронных машинах в установившихся режимах.
• них предложены векторные диаграммы, круговые диаграммы и схе-
* ммсщения асинхронных машин. По уравнениям (3.15) теорию асин-
*<ш1ой машины можно рассматривать как теорию трансформатора, во
_	п 1 — 5

ьричную обмотку которого вводится активное сопротивление Rr----.

5
hi пиная мощность, которая выделяется на этом сопротивлении, пропор-
• шильна полезной мощности на валу машины.

3.3.	Конструкции асинхронных машин

Можно без преувеличения сказать, что промышленное производство
(жмодится в движение асинхронными двигателями. В настоящее время
ишчронные двигатели выпускаются едиными сериями в огромных ко-
ми i iiiax. Основная серия асинхронных машин 4А включает в себя дви-
ii ни от 0,4 до 400 кВт. Выпускаются высоковольтные машины в виде
.««ной серии А4 на мощности свыше 400 кВт. Разработана единая серия
микронных машин АИ, АИР, 5А и RA.

Конструкции асинхронных машин делятся на два основных типа: с
 ри цсозамкнутым ротором и фазным ротором. Наибольшее распростра-
нение получили двиган <
короткозамкнутым рон>|-
которые в серии 4А ими
няются на все моицх»
включая 400 кВт.

Обмотки корот ко н
нутых роторов ВЫПОЛНИ»1
литыми из алюминия инн
сплавов. При заливке и
временно отливаются <..।
ни, лежащие в пазах, н

Рис. 3.3. Асинхронный двигатель 4А250 (сте- роткозамыкающие колки
пень защиты 1Р44)	размещенными на их гор

вентиляционными лопат >
и штырями для крепления балансировочных грузиков (см. рис. 1.20 и < 11

Короткозамкнутые роторы крупных машин и специальных аи
хронных машин с улучшенными пусковыми характеристиками выпи и
ются сварными. Стержни ротора из меди или латуни приваривают
короткозамыкающим кольцам, имеющим отверстия, куда перед свар»
вставляются стержни обмотки.

Асинхронные машины с фазным ротором имеют на роторе обмш
из круглых или прямоугольных проводов, которая выполняется так <
как и обмотка статора.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором серии
можно разделить на две разновидности по степени защиты и способу i
лаждения. Машины закрытые, защищенные от попадания внутрь ее брц
любого направления и предметов диаметром более 1 мм, имеют внепи»
обдув вентилятором (рис. 3.3).
По ГОСТ это исполнение имеет
обозначение 1Р44.

Второй разновидностью
конструкции являются машины
с исполнением по степени за-
щиты 1Р23 (рис. 3.4). В этих
машинах обеспечивается защи-
та от возможности соприкосно-
вения пальцев рук и твердых
предметов диаметром более
12,5 мм с токоведущими и вра-
щающимися частями машины.
Исполнение 1Р23 предусматри-
вает защиту от попадания внутрь

Рис. 3.4. Асинхронный двигатель 4А112М>
(степень защиты 1Р23)
wiuiiiu капель, падающих под углом 60° к вертикали. Иногда такое ис-
I № ><ие называют каплезащищенным.

11 кружный обдув в закрытых двигателях осуществляется вентилято-
м / (рис. 3.3), окруженным кожухом 2. Для улучшения теплоотдачи
чиа 3 двигателя имеет продольные радиальные ребра. Вентиляцион-
Г понатки ротора 4 перемешивают воздух внутри машины, отводя теп-

I' более нагретых лобовых частей обмотки.

II двигателях защищенного исполнения со степенью защиты 1Р23
г сиена двусторонняя симметричная радиальная система вентиляции
* 1.4). Воздух попадает в машину через отверстия в щитах, а выходит
। । отверстия в станине. Напор воздуха внутри машины создается ло-
чми 1, отлитыми вместе с короткозамкнутой обмоткой ротора, а
аффуюры 2, укрепленные на подшипниковых щитах 3, направляют по-
• ‘ндуха.

II табл. 3.1 и 3.2 дана увязка мощностей двигателей с высотами оси
Ношения. Шкала мощностей связана с установочными размерами. Но-
libnoe напряжение двигателей 220, 380 и 660 В. Серия размещена на
цасотах оси вращения.

Таблица 3.1. Увязка мощностей с высотой осн вращения.
Степень защиты 1Р44

м огаоси цмнцения, мм	Мощность двигателя, кВт, при числе полюсов					
	2р = 2	2р = 4	2р—6	2р = 8	2р=10	2р=12
50	0,09	0,06	-	-	-	-
	0,12	0,09	-	-	-	-
56	0,18	0,12	-	-	-	-
	0,25	0,18	-	-	-	-
бЗ	0,37	0,25	0,18	-	-	-
	0,55	0,37	0,25	-	-	-
71	0,75	0,55	0,37	-	-	-
	1,1	0,75	0,55	0,25	-	-
80	1,5	1,1	0,75	0,37	-	-
	2,2	1,5	1,1	0,55	-	-
40	-	-	-	0,55	-	-
	3,0	2,2	1,5	1,1	-	-
100	4,0	3,0	-	-	-	-
	5,5	4	2,2	1,5	-	-
112	-	-	3,0	2,2	-	-	1
	7,5	5,5	4,0	3,0	-	-
132	-	7,5	5,5	4,0	-	-
	11	11	7,5	5,5	-	-
160	15	15	11	7,5	-	-
	18,5	18,5	15	11	-	-
Продолжение таби

Высота оси вращения, мм	Мощность двигателя, кВт, при числе полюсов					
	2р-2	2р = 4	2р = 6	2р = 8	2р= 10	2р II
180	22	22	-	-	-	
	30	30	18,5	15	-	
200	37	37	22	18,5	-	
	45	45	30	22	-	
225	55	55	37	30	-	
250	75	75	45	37	22	
	90	90	55	45	30	
280	110	110	75	55	37	-
	132	132	90	75	45	-
315	160	160	ПО	90	55	'И
	200	200	132	110	75	
355	250	250	160	132	90	7S
	315	315	200	160	110	90

Таблица 3.2. Увязка мощностей с высотой оси вращения.
Степень защиты 1Р23

Высота оси вращения, Л, мм	Мощность двигателя, кВт, при числе полюсов					
	2р = 2	2р = 4	2р = 6	2р = 8	2р=10	2р U
160	22	18,5	-	-	-	-
	30	22	-	-	-	-
180	37	30	18,5	15	-	-
	45	37	22	18,5	-	-
200	55	45	30	22	-	-
	75	55	37	30	-	-
225	90	75	45	37	-	-
250	110	90	55	45	-	-
	132	110	75	55	-	
280	160	132	90	75	45 	-
	200	160	110	90	55	-
315	-	200	132	110	75	55
	250	250	160	132	90	
355	315	315	200	160	110	90
	400	400	250	200	132	110

В двигателях с фазным ротором обмотка ротора выполняется ви.и|
ной из круглого провода или стержневой из меди прямоугольного ссч|
ния. Общий вид двигателя с фазным ротором представлен на рис. 3.5
• । 3.5. Двигатель с фазным ротором 4АНК200 (степень защиты 1Р23)

Отличительной особенностью машин с фазным ротором является на-
на роторе обмотки из проводников круглого или прямоугольного
-ч ния, начала которой выведены на контактные кольца. Узел контакт-
•ix колец вынесен из станины, а контактные кольца закрыты кожухом
ш. 3.5). Узел контактных колец — консольного типа. Контактные
। ьца, опрессованные пластмассой, насаживаются на вал двигателя, они
цплняются чугунными или медными. Выводные концы обмотки ротора
•/(ходят к трем кольцам через внутреннее отверстие в вале ротора. Об-
•i। »п ротора соединяется в звезду.

Токосъемный аппарат состоит из щеток и щеткодержателей. Щетко-
|»1* > чтели укреплены на изолированной части пальца, металлический
•iiii' H которого ввинчен в прилив подшипникового щита.

Система вентиляции и степень защиты двигателей с фазным ротором —
II* 1 и 1Р44. В табл. 3.3 приведены высоты осей вращения и связь их с
и<потой вращения и мощностью.

При изготовлении серий электрических машин предусматривается
мин имальная унификация, поэтому большинство деталей одинаковые
машин как с короткозамкнутым, так и с фазным ротором.

Статор асинхронной машины с короткозамкнутым или с фазным
•Яиром состоит из магнитопровода с обмоткой и станины. Магнито-
артшод статора набирается из листов электротехнической стали, изо-
нрованных друг от друга и имеющих на внутренней поверхности па-
• (рис. 3.3—3.5).


Таблица 3.3. Шкала мощностей двигателей с фазным ротором

Высота оси вра- шения, h,	Мощность двигателя, кВт, при частоте вращения, об/мин							
	1500	1000	750	1500	1000	750	600	5IHI
								
ММ	Степень защиты 1Р44				Степень защиты 1Р23			
160	10	7,5	5,5	15	-	-	-	
	13	10	7,7	18,5	-	-	-	
180	-	-	10	22	15	11	-	
	18,5	13	32	30	18,5	15	-	
200	22	18,5	15	37	22	18,5	-	
	30	22	-	45	30	22	-	
225	37	30	22	55	37	30	-	
250	45	-	-	75	45	37	-	
	55	37	30	90	55	45	-	
	75	45	37	110	75	55	-	
280	-	-		132	90	75	-	•
	-	-		160	110	90	-	• 1
315	-	-		200	132	110	75	И
	-	-		250	160	132	90	71
355	-	-		315	200	160	110	90
	-	-		400	250	200	132	1111

Сердечник статора состоит из отдельных пакетов, которые ное^
сборки скрепляют скобами и укрепляют в станине. При сборке паке ни
магнитопровода статора может быть выполнен скос пазов. Форма пакт |
число пазов на статоре зависят от мощности и частоты вращения.

В производстве асинхронных двигателей используются горячемп*
ные и холоднокатаные стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Горячекатаные < и
ли не имеют магнитной анизотропии, а холоднокатаные имеют зпачи
тельную анизотропию. Горячекатаная сталь марки 1211 при напряжешк
сти магнитного поля Н = 2500 А/м имеет индукцию 1,53 Тл, а удельнь
потери pifi/so = 3,3 Вт/кг.

Для асинхронных двигателей серии 4А с высотой оси вращения ।
160 мм применяется холоднокатаная рулонная сталь марки 2013 с В.,т
= 1,65 Тл и pifi/so = 2,5 Вт/кг. Для двигателей с высотой оси вращпш
свыше 160 мм используется холоднокатаная рулонная сталь марки 2211
Д>500 = 1,6 Тл и Р1.0/50 = 2,2 Вт/кг.

Обычно из одного рулона штампуются листы как статора, так и |«
тора. Так как частота перемагничивания ротора Небольшая и равна 1—2 I •
листы ротора не изолируются друг от друга.

Станины двигателей изготовляются из алюминиевого сплава АЛ !
для двигателей большой мощности — из чугуна. Станины выполняю и я
прилитыми лапами, с продольными приливами для крепления подшшнн
I мх щитов. Станины имеют поперечные ребра для улучшения охлаж-
Ми и усиления механической прочности.

11одшипниковые щиты выполняются из сплава АЛ-2. Отверстие под
“шшник армировано стальной втулкой. Щиты двигателей большой
Внрсти выполняются из чугуна. Для упрочнения конструкции щиты
•<чн ребра. В двигателях серии 4А одна подшипниковая опора со сто-
нала плавающая, а вторая — фиксирующая. Подшипник, устанавли-
мый в фиксирующей опоре, воспринимает радиальную и осевую на-
•рнки. Подшипник в плавающей опоре свободно перемещается в акси-
м>|ном направлении, предотвращая заклинивание при отклонении от
I Вльных размеров и тепловых расширениях. Подшипниковый узел
• шит из подшипников, подшипниковых крышек и элементов уплотне-
«м Подшипниковые узлы выполняются с устройством для пополнения
• I ши, а также с подшипниками, имеющими двустороннее уплотнение и

I чинно заложенную смазку, рассчитанную на весь срок службы.

Валы двигателей единой серии 4А унифицированы. Длину и диаметр
В (упающего конца вала выбирают в зависимости от высоты оси вра-
»11ИЯ.

11ри конструировании асинхронных двигателей единых серий обес-
•‘||шгется максимальная унификация узлов и отдельных деталей.

Кроме асинхронных двигателей единой серии 4А промышленностью
11 tivi каются двигатели серий А2 и АО2. Асинхронные машины серий А2
| А< >2 имеют больший расход материалов и другие установочные разме-

Конструктивное выполнение таких машин показано на рис. 3.6.

В последние годы Ярославский электромашиностроительный завод
«поил новую серию RA — Российская асинхронная, а Владимирский
Вмромоторнп! й завод выпускает серию 5А, которая заменяет серию 4А.

Электротехнической промышленностью выпускаются высоковольт-
цишхронные двигатели серий А, АК 12—13-го габаритов и их моди-

1 м< 3.6. Обдуваемый асинхронный двигатель АО 9-го габарита
фикации на мощность свыше 100 кВт на напряжение 6000 В. Танк ।
гатели выпускаются с короткозамкнутым и фазным ротором. В дпш
лях с короткозамкнутым ротором применяется сварная клетка. Обмт
статора имеют изоляцию типа «монолит-2». Изоляция соотвсн ш
классу нагревостойкости F.

Для насосов и аэродинамических труб выпускаются асинхрои

двигатели мощностью до 20 МВт. Одной из распространенных cj
мощных асинхронных двигателей является серия АТД. Двигатели А|
выполняются с короткозамкнутым массивным ротором и водяным и«
ждением обмотки статора.

Конструкции асинхронных микродвигателей отличаются от мн
рукций двигателей общего назначения. Это связано с особыми трсГк

ниями работы в системах автоматического управления, применении»!
бытовых приборах с однофазным питанием и функциональным испои»
ванием (тахогенераторы, датчики и другие устройства).

Конструкции наиболее распространенных асинхронных микродп»
телей рассматриваются далее и в специальных курсах [2, 8,12,15].

Несмотря на то что конструкция асинхронного двигателя отраГж

валась десятилетиями многими конструкторскими коллективами, и
должаются работы по ее совершенствованию и видоизменению. При
ма экономии материалов заставила искать пути создания безотхо)
технологии и замены традиционных материалов, применяемых и i
тромашнностроении.

При штамповке листов статора и ротора большая часть стали ид> i
отходы. В некоторых вырубках отходы превышают 50%. Прим«|
безотходной конструкции магнитопровода статора является конструм
показанная на рис. 3.7. Составной статор состоит из зубцовой чаши /
ярма магнитопровода 2, вставляй

друг в друга. Пазовая часть ма« пи»
провода представляет собой кк|

Рнс. 3.7. Составной статор с гофри-
рованной пазовой частью

рованную из полосы электротехцц
ской стали гармошку, промсжу!

которой являются пазами 3, в ы>
рые укладывается обмотка. Л|
наматывается из рулонной стали
ребро. Такая конструкция ми >
применяться в двигателях иеболыг
мощности.

Ведутся исследовательские ।
боты по применению порошки
металлурги для изготовления мап<»
топроводов, применению стал гы <
^•одов вместо медных и алюминиевых, биметаллических проводов,
• нищих из электропроводящей части и стальной, по которой замыка-
Ь магнитный поток. Конструкции асинхронных машин являются клас-
ф** кими и в то же время они развиваются и при появлении новых асин-
t hujx машин непрерывно видоизменяются.

3.4.	Обмотки асинхронных машин

Вращающееся поле в асинхронных машинах, как правило, создается
> ..кой статора, которая подключается к сети. Большинство асинхрон-
И машин имеют трехфазные симметричные обмотки, принцип по-
1^» ния которых рассмотрен в § 1.9,1.10.

Обмотки статора и фазные обмотки ротора асинхронных машин вы-
•М1*аются одно- и двухслойными (см. рис. 1.50—1.56). В зависимости от
•мциости и напряжения применяются петлевые (см. рис. 1.64) и волно-
й» (см. рис. 1.65) обмотки.

Статорные обмотки асинхронных двигателей серии 4А выполняются
«мько петлевыми. Применяются всыпные обмотки с мягкими катушками
• «Смотки с жесткими катушками.

Всыпные обмотки применяются в низковольтных машинах до 100 кВт.
J|l! кие катушки перед укладкой в пазы наматываются на шаблоне из
фмлого медного или алюминиевого провода. После опрессовки и Полу-
нина определенной формы секции укладываются в пазы, в которые по-
днимется пазовая изоляция 1 (рис. 3.8, а). Затем вводятся в паз проводни-
•• обмотки и укладывается изоляционная прокладка между верхним и
>•• ним слоями обмотки 2 (рис. 3.8, б, в). После заполнения паза обмотка
iy закрепляется клином 3 (рис. 3.8, г).

После укладки катушек в пазы производятся формовка лобовых час-
•J и их бандажирование. Далее статор вместе с обмоткой подвергается
цниитке.

Жесткие катушки изготовляются из прямоугольного изолированного

фииода (см. рис. 1.53 и
I U). Корпусная и меж-
^•(<>пая изоляции час-
» гю выполняются вме-
я» с катушками, кото-
Ь» компаундируются
В пропитываются до
ршдки в пазы. Затем

Рис. 3.8. Процесс укладки мягких секций в пазы

Цыпки помещаются в
ременного тока в системах электроснабжения выпускаются |><ии
фильтровые и сглаживающие. В новой серии сглаживающих рент,
используется одностержневая конструкция без ярма. Стержень in.nn>.
из листов стали одной ширины, которые собираются в отдельные ним

Сглаживающий реактор ФРОС-65/05 имеет номинальный ток .
индуктивность 1,5 мГн, массу 82 кг.

Для преобразовательных подстанций постоянного тока 1500 к И
пускается реактор РОЛДЦ-1200/4/800. Условная мощность при ч>м
50 Гц 1800 кВ-A. Номинальный постоянный ток 1200 А, индукшин
4 Гн, класс напряжения 800 кВ, транспортная масса 396 т. Для ни» >
станций выпускаются также фильтровые реакторы и высокоч.к нп
анодные реакторы. Реакторы в трансформаторном произволе те и
стоящее время занимают значительное место.

Рассмотренные изделия трансформаторных заводов хотя и нс и<
пывают всей номенклатуры, свидетельствуют о разнообразии выти
мой электротехнической промышленностью продукции.
Глава третья

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

3.1. Режимы работы и области применения
асинхронных машин

Ai инхронные машины получаются из обобщенной машины (см. рис.
11») мнда ор Ф ос. При этом поля статора и ротора неподвижны отно-
«<•>11110 друг друга, так как частоты токов в роторе и статоре связаны
•и собой соотношением Д —f\S , где / и/2 — соответственно частоты
•w<>p;i и ротора. При этом s — скольжение или относительная угловая
•<!><>< 11. (частота вращения)

Н (3.1) угловая скорость ор имеет положительный знак в генератор-
< '* и юрмозном режимах, в двигательном режиме ор имеет отрицатель-
* и шик.

И асинхронных (несинхронных) машинах частота вращения ротора
ранца частоте вращения поля в воздушном зазоре ( ор Ф ос). Механи-
»«пн частота вращения ротора асинхронных машин в установившемся
С»имс может быть ниже и выше синхронной частоты вращения поля, при
<> ротор может вращаться в сторону, противоположную вращению поля.

и швисимости от частоты
•» «ю ним и направления враще-
й  ротора по отношению к по-
ф различают четыре режима
BtiHi-i асинхронных машин

>».. 1.1). Когда 0 < ор < ос,
। место двигательный ре-
.....ри ос < ор < +оо — гене-
жориый режим. В этом режи-
»• ротор вращается в ту же сто-
►Н» что и поле, но с большей
Wtoioit вращения. В тормоз-

Торм.	т	Дв-	Ген.	со р
— ОО	6	ос		+ оо
				а)
Торм.	т	Дв.	Ген.	S
Ь 00	0	i		— 00
				б)

Рис. 3.1. Режимы работы асинхронной
машины:

а — иа шкале частоты вращения; б — на шкале
скольжения
полуоткрытые или открытые пазы, которые имеют пазовую изоляш
Уложенные в пазы катушки соединяют между собой и окончательно и
питывают.

Обмотки с жесткими секциями обеспечивают бслыпий коэффииМ
заполнения паза, они более надежны. При применении жестких обмш
пазы прямоугольные, а зубцы имеют трапецеидальную форму. Обмоши|
жесткими секциями применяются в машинах мощностью свыше 100 я Hi

Механизация обмоточных работ — один из основных путей снпЦ
ния трудоемкости изготовления электрических машин. В последни i с 
на электромашиностроительных заводах широко применяются стаиц
обмоточные станки. В большинстве статорообмоточных станков npiMf
няется концентрическая обмотка с одновременной укладкой обеих снцп
секций в пазы. Применение всыпных обмоток обеспечивает полную *>(
ханизацию изготовления обмоток. Поэтому обмотки с мягкими секция I
применяются при изготовлении асинхронных машин наиболее масс»»*
выпуска. Такими машинами являются двигатели серии 5А мощное ып
100 кВт [7].

Обмотки с мягкими секциями имеют меньший вылет лобовых ч»
тей, трапецеидальные пазы обеспечивают лучшее использование iyt>n,
вой зоны за счет зубцов равномерного сечения. К недостаткам обмоки

мягкими секциями следует отнести их меньшую надежность по ср<ли«»
нию с обмотками с жесткими секциями.

При изготовлении асинхронных двигателей единой серии 4А одн
слойные концентрические обметки применяются в двигателях моши*
стью до 15 кВт

Двухслойные обмотки с жесткими секциями применяются в двч’ .и*

лях мощностью свыше 100 кВт.

В диапазоне 15—100 кВт прим
няются одно-двухслойные обмоцц
которые сочетают преимущества <>л
но- и двухслойных обмоток. Эти (th
мотки допускают укорочение ш;и и »
укладываются в пазы статоро-'1
точными станками.

Одно-двухслойная обмотка i и
стоит из концентрических кату и i я
Катушечная группа состоит из одни
большой катушки и q - 1 малых и
тушек (д — число пазов на полюс н

Рис. 3.9. Катушки одно-двухслой- Ф33?)’ Большая катушка заним.м I
ной обмотки:	весь паз> малые катушки — полонии

1—12 — номера пазов	паза (рис. 3.9).
Рис. 3.10. Схема однослойной обмотки с дроб-
ным q (т = 3,2р = 4, q = 1-- ,z = 18)

В двухслойных об-
«»пх с укорочением ша-
Им. рис. 1.66, 1.67) в
• in пазов находятся сек-
ft принадлежащие раз-
ф* фазам. В одно-двух-
йпой обмотке в пазах,
^надлежащих одной фа-
ф располагается большая
• • щка с двойным чис-
*< витков, а в остальных
и«х в два слоя помеща-
ем и стороны катушек
пых фаз. Число кату-
*пых групп равно числу
•> носов. Одно-двухслой-
•• обмотка выполнима
фа I] > 2. При q~2 обмотка вырождается в концентрическую однослой-
фа* обмотку.

Рассматриваемые до сих пор обмотки имели целое число пазов на
•••пос и фазу q. Иногда целесообразно применять обмотки с дробным q.
Шпример, в машинах с небольшим внутренним диаметром статора при
Ф»хфазной обмотке с q = 1 пр = 2, z = 2mpq = 2-3-2-1=12, а если принять
В 0,5, то z = 6. Ширина зубца по технологическим соображениям огра-
•инается 1,8—2 мм, поэтому при малом диаметре легче выполнить
пину с дробным q. При q = 0,5 обмотки охватывают каждый зубец.
" Могки с q < 1 применяются в многополюсных тихоходных асинхрон-
•*» микродвигателях. При q > 1 обмотки состоят из катушечных групп с
ft" 'М числом катушек. Обмотки фаз получаются несимметричными на
•пшеном делении, но симметричными по всему внутреннему диаметру
••юра.

На рис. 3.10 дана схема однослойной трехфазиой обмотки с q =1'/2,
Ь- 4.

II двухслойных обмотках дробное q применять легче. Однако следует
•• (ь в виду, что применения обмоток статора с дробным q в асинхрон-
ен машинах следует избегать из-за худшей кривой МДС в зазоре. Об-
к и с дробным q применяют при перемотке статоров на другое число
щпюсов, когда изготовление штампов нецелесообразно.

Во многих электроприводах требуется ступенчатое регулирование
м> ины вращения. Это можно осуществить путем переключения числа
м|| полюсов машины. В простейшем варианте для этого надо в пазы ста-
"I"’ положить две обмотки на разное число полюсов. При этом ротор с
Рис. 3.11. Соединение катушечных групп при
2р = 8:

а — последовательное; б— параллельное

короткозамкнутой о<>м»*
кой обеспечит работу .н м«
хронного двигателя с ш.и и
кими энергетическими м
казателями при разных < 1Ы
хронных частотах нршЩ
ния. Однако с двумя оОмм
ками статора использован»*
активных материалов nut
хое, так как одна из обмочЯ
не будет использоваться

Переключение чш <»
полюсов в отношении I )
можно получить, ИСПОЛ1. и 
одну обмотку. В трехф.
ных петлевых двухслонпм»

обмотках переключение числа полюсов проще всего осуществляется
тем изменения направления тока в отдельных частях обмотки.

При переключении трехфазной обмотки с числа полюсов 2р = В на I
2р = 4 надо иметь 12 катушечных групп, комбинируя которые, м<>
получить две синхронные частоты вращения при параллельном и пи*  I

Рис. 3.12. Соединение катушечных групп при
2р = 4:

а — последовательной; б— параллельное

довательном соединениях катушек.

На рис. 3.11, а, б и 3.12, а, б показано соединение катушечных i р> и*
одной фазы обмотки при последовательном и параллельном соединенно
для 2р =8 и 2р = 4.

Чтобы осуществить необходимые переключения катушечных груш»
в каждой фазе надо иметь
по четыре вывода. В трех-
фазной машине должно
быть 12 выводов. Чтобы
двигатель вращался в од-
ном и том же направлении
при переключении числа
пар полюсов, нужно еще
изменить и чередование
фаз, т.е. поменять местами
любые две фазы.

Рассмотренная схема
переключения не является
единственной. К много-
скоростным двигателям
мы еще вернемся в конце
*h»l главы, там же
Кцуг рассмотрены
которые схемы
iMOTOK несиммет-
« н1ых асинхрон-
u  двигателе L

Обмотки рото-

б g о о о

а) б) в) г) д) е) ж)

Рис. 3.13. Наиболее распространенные формы пазов ро-
тора асинхронных двигателей

| >и асинхронных

•<шнин можно разделить на две группы: короткозамкнутые и фазные.

Короткозамкнутая обмотка с простой беличьей клеткой (см. рис. 1.20
 I 13, а) состоит из ряда медных или чугунных стержней круглого сече-
нии, уложенных в пазы. Стержни с обеих сторон магнитопровода ротора
рип: риваюг к медным кольцам. При выполнении короткозамкнутого
|чп<>ра пазы не изолируют. Длина стержней обмотки принимается не-
. к»лько большей длины стали ротора.

Для улучшения пусковых характеристик двигателя применяют ротор
f । цубокими пазами, когда беличья клетка выполняется из стержней пря-
моугольного сечения (рис. 3.13, б). В единых сериях короткозамкнутые
4мотки роторов 13 отовляются путем заливки пазов алюминием. При

Шнивке вместе со стержнями отливаются и короткозамыкающие кольца.

<>рма пазов при заливке может быть весьма разнообразной. Наибольшее
рпчпюстранение получили пазы бутылочной формы (рис. 3.13, в).

Для улучшения пусковых характеристик находят применение также
короткозамкнутые обмотки с двойной беличьей клеткой (рис. 3.13, г).

Частота вращения асинхронных двигателей может достигать 500 тыс.

>/мин. При высоких частотах вращения шихтованный ротор из-за низ-
bHi механической прочности не применяют. В таких двигателях ротор
 ыполняют массивным. При этом ротор представляет собой ферромаг-
IIH |ный цилиндр. В массивном роторе совмещают магнитопровод и об-

и ку. Широкого применения массивный ротор не находит из-за худших

ио сравнению с шихтованным ротором энергетических характеристик и
боиыней трудоемкости изготовления.

В двигателях с фазным ротором на роторе применяются всыпные
и о и катушечные обмотки и стержневые.

Всыпные обмотки — петлевые трехфазные двухслойные обмотки с
Укороченным шагом — укладывают в пазы трапецеидально-овальной
формы (рис. 3.13, д, е). Обмотки изготовляют из круглого медного про-
Mi щ. Технология укладки, изоляция, пропиточные лаки те же, что и для
• опорных обмоток. Всыпные обмотки дают возможность иметь на коль-
цах напряжения, близкие к напряжению обмотки статора, что облегчает
конструкцию щеточного аппарата и пускорегулирующей аппаратуры, так
пик снижаются токи. Эти обмотки технологичны и допускают уменьшение
Рис.'3.14. Соединение стержней
двухслойной волновой обмотки
рот >ра

(° ° °)

Се Сд Cs

Ci С2 Сз

к сети

к сети

а)	б)

Рис. 3.15. Соединение обмоток в звезду I
и треугольник (б) на коробке выводов

числа пазов ротора. Всыпные обмотки применяются в асинхронных ди
гателях мощностью до 50 кВт.

Стержневые обмотки — двухслойные волновые обмотки, состо> пн

из стержней прямоугольной меди, уложенных в

полузакрытые пазы

poiii

ра (рис. 3.13, ж). Стержни обмотки в пазы вставляют с торца, а зпм
отгибают одну лобовую часть. Стержни обмотки 2 соединяются ис*]

собой при помощи хомутиков 1 (рис. 3.14). Хомутики одновременно и
полняют роль лопастей вентилятора, обеспечивая при вращении pcno|i

перемешивание воздуха внутри машины.

Шаги обмотки определяются стержнями, соединяемыми со сторон
контактных колец и с противоположной стороны ротопа Сумма этих ш«
гов равняется полюсному делению. Чтобы не замкнуть обмотку шнл
обхода пазов ротора, последний шаг в каждом обходе делают укороченн!.!

Стержневые обмотки фазных роторов применяются в двипиепш
средней и большой мощностей при напряжении на контактных kojii.ii
до 500 В. Недостатки стержневых обмоток — наличие большого чи< ***

паек и большая трудоемкость.

Низковольтные асинхронные двигатели единой серии изготовляю"
на напряжения 220, 380 и 660 В. На доске выводы обмоток распол." .шч
таким образом, что их можно соединять в звезду и треугольник (рис. 3 11
а, б). При большем напряжении обмотки соединяют в звезду, а при
меньшем — в треугольник. Обмотки высоковольтных асинхронных мн

шин соединяются в звезду.

3.5. Векторная диаграмма асинхронной машины

У асинхронных машин число витков на роторе и статоре различил
Процессы преобразования энер"ии принципиально не изменятся, если
рассматривать машину с одинаковыми числами витков на ротор* и
статоре. Обычно число витков обмотки ротора приводитг?. к числу ши
258
мм обмотки статора. При приведении сохраняются потребляемая из сети

иная и реактивная мощности, КПД и coscp. В обозначения приведен-
6 < величин добавляют штрих.

Сохраняя неизменными МДС приведенной обмотки и реальной, как
|д«я трансформаторов, получим приведенный ток вторичной обмотки

т, _ j ™2™2квг

*2~ *2	,	’

(3.16)

>• Ш|, т2 — числа фаз обмоток статора и ротора; w2 — числа витков
статора и ротора; koi, ко2 — обмоточные коэффициенты обмоток
4«|<>ра и ротора.

Из условия неизменности потока в машине с приведенным числом
мп нов обмотки и с действительным числом витков

Ф„ = -—------------------------ (3.17)

4,44^^/, 4,44^^,/!

>111У'1ИМ

=£2J^1*£L.	(3.18)

™2ко2

Из условия сохранения потерь в роторе
т212г2 = тх(12)гг2
«Пнем

г< _ 7г r ( mxwxkBX j т^г /и, ( wxkBX )
(^)2 mi 2 lw2ay2*o2J m, 2 m2{w2kB2)
Из условия неизменности реактивной мощности имеем

Таким образом, коэфициент приведения для тока

Коэффициент приведения ЭДС и напряжения
Wl^ol . TJ' = к U
^2*02

Коэффициент приведения сопротивлений
к ^ки = ^(^oi)2
к, m2(w2ko2)2

(3.19)

(3.20)

(3.21)

(3.22)

(3.23)

(3.24)
При этом

А = Z2< •

(НМ

При приведении короткозамкнутой обмотки ротора считал, щ
число стержней z2 = тг, а число витков = 1/2, что следует из оч|м и»
ления числа зубцов (см. § 1.15), когда р = 1 и q = i. Тогда для корон»
замкнутого ротора

g 4m,	L,l

Z2

Уравнения приведенной асинхронной машины согласно (3.14) i
глядят следующим образом:

Ц —£, + /lzl;

o=£j	А— >

А=А+А-

(3,71)

Геометрическим образом (3.27) на комплексной плоскости являете»

векторная диаграмма асинхронной машины (рис. 3.16).

Векторная диаграмма асинхронной машины отличается от векторной

Рис. 3.16. Векторная диаграмма асинхрон-

ной машины

диаграммы трансформати|ч
тем, что й'г = 0, а ЭДС роя
ра Ё'г определяется паденш и
напряжения на индуктивном
сопротивлении ротора j/p.
и активном сопротивлении

•	•	•	1 — л

А — = ^r2+—> (3-241
£ £

где Агг — падение напряло
ния на активном сопротии
лении обмотки ротор*,

S,

/2г2-- — напряжение, хи

£

растеризующее мехаташ
скую мощность на валу ми
шины Р2.

Действительно, если ум
ножигь члены равенства (3.2К)
на Гг и mi, то получим
J _

тД/'^^ + тД/;)2^-----,

s

|в первый член определяет потери в роторе, а второй

И	гп^гг^ = т21г2г2~ = тхи'2Г2	(3.29)

s	s

ц»еделяет механическую мощность на валу машины Р2. Мощность Р2
 почает в себя полезную мощность на валу машины Р2 и механические
КриРмех.

Для разделения механических потерь и полезной мощности на валу
| ипины можно ввести эквивалентные активные сопротивления, выделив
I .’	,1-s „

из г2--. В асинхронных двигателях единых серии скольжение изме-

и«егся в небольших пределах (sH0M = 1-ь4%), поэтому механические поте-
рн можно считать постоянными.

Векторная диаграмма на рис. 3.16 построена для одной фазы маши-
на. Поэтому для определения Р2 в (3.29) необходимо произведения то-
• <in и напряжений умножить на число фаз статора или ротора.

На векторной диаграмме уравнениям статора соответствуют тре-
уюльник 1, уравнениям ротора — треугольник 2 и уравнениям токов —
цсугольник 3.

В асинхронных машинах, как и в трансформаторах, намагничивающий
io» /0 - /, +1'2. При этом результирующая МДС из векторной диаграммы

| |	f	к,.	(ЗЗО)

пр	пр

Результирующая МДС и МДС обмоток ротора и статора — про-
| |ранственные векторы, так как МДС обмоток создаются благодаря опре-
деленному пространственному сдвигу обмоток и временному сдвигу то-
*он. При построении векторной диаграммы можно использовать намаг-
ничивающий фазный ток /0 или результирующую МДС обмотки.

При построении векторной диаграммы совмещаются временные U,
I, Ё и пространственные Фт, F векторы. При анализе рабочих про-
цессов в асинхронных машинах целесообразно пользоваться результи-
рующими векторами U, I, F, Т и Фт, сочетающими временные и
пространственные представления.

Построение диаграммы начинается с того, что в масштабе отклады-
шиот вектор потока Фт. Намагничивающий ток 70 не совпадет с Фт,

В
так как намагничивающим ток имеет активную и реактивную сосгаи»»
щие:

4 = Ли + Ар •	* ' *

После определения тока 10 по магнитному потоку Фт paccimi.ii
ют ЭДС £, = Ё2 и определяют ток 12. По (3.22) ток ротора приводя i
обмотке статора и по (3.27) находят ток статора /,. Затем по изве< пи.
ЭДС, токам и сопротивлениям по (3.27) строят векторную диаграмму

Векторные диаграммы можно построить для нескольких зна'н мн
токов нагрузки, и по ним можно судить об изменении токов, п<>н|
coscp и падений напряжений при изменении нагрузки на валу машины

При холостом ходе асинхронного двигателя Р2 = 0 и ток холо! ьчн
хода /0 = /(, так как можно считать, что 1'2 ~ 0. Ток в роторе равен нули
если механические потери равны нулю. При холостом ходе активин*
мощность, потребляемая из сети, небольшая и ток Z, имеет в оснош.

реактивную составляющую. При этом реактивная мощность, необхолм
мая для создания магнитного поля, поступает из сети и ток отстав! «•
(Zj почти на 90°. Коэффициент мощности coscp характеризует соотнош
ние между активной и реактивной мощностями.

С ростом нагрузки растет ток в роторе 12, увеличивается и ток в ст»
торе 7,. Из-за падения напряжения на обмотке статора несколько умеш.

Рис. 3.17. Векторная диаграмма асинхронной машины в режиме двигателя (<i),
холостого хода (б) и генератора (в)
• гея Ёх, что приводит к небольшому уменьшению потока Фга и сни-
•яшпо /0. Однако в первом приближении можно принять, что 10 при
вменении нагрузки не изменяется. Это облегчает построение векторных
грамм. С увеличением нагрузки на валу увеличивается скольжение,
1>«' гут электрические потери в роторе и статоре, растет потребляемая из
•*i и активная мощность Рь а реактивная мощность практически остается
। изменной.

На рис. 3.17, а—в представлены векторные диаграммы асинхронной
•липины в двигательном режиме, при холостом ходе и в генераторном
р*име.

Векторные диаграммы асинхронных машин при проектировании
зриктически не используются, но они имеют важное методическое значе-
Ш' при изучении асинхронных машин.

3.6. Схема замещения асинхронной машины

Уравнениям (3.27) соответствует Т-образная схема замещения, со-
« юящая из активных и индуктивных сопротивлений (рис. 3.18). Нетрудно
Икдиться, что уравнения статора асинхронной машины получаются при
коде первого контура, а ротора — второго контура в схеме замещения.
1 <»к 1'2 уравновешивается током , а их сумма определяет намагничи-
•шощий ток /0. Как уравнения (3.27), векторная диаграмма (рис. 3.16),
ink и схема замещения записываются и строятся для одной фазы машины.

Падение напряжения на сопротивлении взаимной индукции х12 опре-
|г >яет ЭДС £, - Ё2. Сопротивление обмотки статора

zi=rl+jxl,	(3-32)

* к «противление обмотки ротора

Потери в сопротив-

, 1-5
нении г2--- эквивалент-

5

нм механической мощно-
11 и на валу машины Р2.

В (3.27) не учитывают-
ся потери в стали. Их мож-
но приближенно учесть,

Рис. 3.18. Схема замещения асинхронной маши-
ны, соответствующая уравнениям (3.27)
Рис. 3.19. Т-образная схема замещения
асинхронной машины

представив асинхронную мшит,
как двухобмоточную — без ,ч»н
контуров вихревых токои («
§3.12) — и введя в намаином
вающий контур активное сон|*
тивление г12, учитывающее ii»i*
ри в стали.

Если потери в стали манннМ
известны, то активное сопроиц
ление

Р

(П4|

1^0о

где 10а — активная составляющая тока холостого хода.

Определив активное сопротивление, эквивалентное потерям в г ни»
можно ввести в рассмотрение процессов преобразования энергии в асин\|шн
ных машинах главное сопротивление или сопротивление взаимной индумшн

Z12 — Г12 + JX12 

(<

Тогда схема замещения асинхронной машины с учетом потерь u »i«
ли будет выглядеть так, как показано на рис. 3.19.

При изменении нагрузки в асинхронной машине изменяется сколь*»
ние s. При неподвижном роторе s = 1 и /2 = /1  При изменении скольжени»
fi = fs • При неизменном потоке Ф„, который определяется приложенш •
напряжением сети Ul и падением напряжения nazh ЭДС машины

Е. = Е'2 = 4,44 /,^2ко2Фт,

(1|*.|

при изменении скольжения

Е2к = 4,44fsw.k.Jb .

LS ~ J 1	2 02 т

(»I/)

При изменении частоты в роторе будет изменяться индуктивное < и.
противление обмотки ротора:

xis =	=	= sx2 >

где Lo2 — индуктивность рассеяния обмотки ротора при 5=1 ( f2 = j\); лj
индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора, х2 = 2nf\La2; х;.
индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора при любом
скольжении s.

Активное сопротивление обмотки ротора зависит от частоты юк«
ротора, так как проявляется поверхностный эффект. Однако этим измен-
нием сопротивления можно пренебречь.
Ток в роторе машины

Г2=^ =	(3.38)

zL Гг' + Jsx2



ZL = Г2 + 75Х2 •	(3‘39)

Из (3.38), разделив числитель и знаменатель на s, получим

.	(зло)

Г2

~+J*2

S

11ри приведении вращающейся машины к неподвижной ток в роторе
К остается неизменным. Таким образом, реальная асинхронная машина
нчшодится к неподвижной за счет изменения активного сопротивления
г,'

ftotopa до —. Токи, активные мощности и потери во вращающейся ма-
s

•ине и неподвижной остаются неизменными.

Схема замещения асинхронной машины (рис. 3.19) и схема транс-
►Фматора (см. рис. 2.7) различаются лишь тем, что в трансформаторе ко
•шричной обмотке приложено напряжение U2, а в схеме замещения
„	, 1-5

* иихроннои машины включено сопротивление г2----, потери в котором

• пиваленгы механической мощности на валу машины.

Учитывая, что схемы замещения трансформатора и асинхронной
муцины мало отличаются друг от друга, можно рассматривать работу
ипхронной машины как работу неподвижной, работающей как транс-
форматор. Однако сведение более сложных процессов преобразования
«нсргии в асинхронной машине к таким же процессам в трансформаторе
Иг всегда правомерно. Поэтому более правильно рассматривать теорию
(йсктрических машин, идя от обобщенной машины к асинхронной маши-
аг, а затем — к трансформатору.

В одних учебниках рассмотрение отдельных типов электрических
шин начинается с трансформаторов, а в других — с машин постоянно-
Н> гока. Начинать с машин постояного тока удобно, так как часто парал-
иш.но с курсом электрических машин идет курс автоматизированного
мгктропривода, в котором анализ электроприводов начинается с приво-
шш постоянного тока. Исторически машины постоянного тока появились
раньше машин переменного тока, что оказало определенное влияние на
рншитие теории и создание учебников. Трансформаторы — более про-
। пае электротехнические устройства, поэтому методически более пра-
вильно начинать изучение с электромагнитных преобразователей. Осшнч
главу «Введение в электромеханику», можно изучение электричст mi
машин начинать с любого типа машин.

Параметры схемы замещения в относительных единицах для acini
хронных машин единых серий мощностью от нескольких киловаз । ,
сотен киловатт изменяются в следующих пределах: х12. = 2-5-4;

= 0,08-5-0,35; г,. ® г2. =0,01-5- 0,07 ; х,. ® х'2. - 0,08 -5- 0,13.

С увеличением мощности машин относительные значения активны*
сопротивлений уменьшаются, а индуктивных сопротивлений возрастаю)
Индуктивное сопротивление х12. зависит от cos ср машины. Чем ним

costp, т.е., чем больше реактивная мощность, потребляемая из сети, н м

меньше х12». Чем больше число полюсов в машине, тем меньше xi2«.

Сопротивление взаимной индукции х)2» в основном определяем»
воздушным зазором. Чем меньше воздушный зазор, тем больше х12.. ( у
ществует оптимальное соотношение между параметрами схемы замепв
ния, при котором асинхронная машина имеет лучшие энергетические и
массогабаритные показатели. Оптимальное значение х12* в двигатели»
единых серий находится вблизи минимально возможного воздушном!
зазора между ротором и статором, допустимого из механических сообрп
жений.

Обращаясь к Т-образной схеме замещения асинхронной машины
(рис. 3.19), следует отметить, что с ростом нагрузки на валу машины рас
тут токи Гг и При этом за счет падения напряжения на сопротивлении

Zi уменьшается ЭДС = Ё'2, что приводит к уменьшению потока Ф,„ и

намагничивающего тока 10г. Это изменение тока можно не учитывав

при анализе рабочих процессов в машине при изменении скольжения п
небольших пределах для номинальных режимов.

Более удобной схемой замещения асинхронной машины является I
образная схема замещения, в которой намагничивающий контур вынести
на вывод сети (рис. 3.20). В этой схеме замещения ток холостого ходя м

зависит от нагрузки и совпадает с действительным током 70 в Т-образни11

схеме замещения при идеальном
холостом ходе, когда я = 0.

При холостом ходе в acini
хронном двигателе s близко к
нулю, но не равно ему, так кин
двигатель из сети потребим*!

Рис. 3.20. Г-образная схема замещения активную мощность, идущую ин
асинхронной машины	покрытие механических потерь и
Фгсрь в стали. При идеальном холостом ходе электромагнитная мощ-
«иь Рэм равна нулю, но двигатель потребляет из сети активную мощ-
жть, которая идет на покрытие потерь в стали. В этом режиме асин-
•роииый двигатель устойчиво работать не может и должен вращаться
4>\гой машиной.

Из Т-образной схемы замещения токи в статоре и роторе

I	1 + ~

Z, = ---------V--------Г =	>	(3.41)

ZIZI2 + Z12Z2a + ZIZ2a Zl +

-f2 =UX---------Ц-------=Ut-------(3.42)

Z1Z12 + Z12Z2a + ZlZ2s Z1 + *-"lZ23

I *r z'23= ———; Ct — комплексный коэффициент:

s + jx'2

C)=£l±£u	(343)

Z12

В Г-образной схеме замещения

1+-^-

i"2 = It-i0=Ut--------------- = - Д. (3.44)

Zl+Cyz23 Zl + Z12 ^(Zj+CjZ^) С,

При этом сопротивление рабочего контура в Г-образной схеме заме-
ШГ11ИЯ

С,(Zj-tCjZj,) =	+ С] г2э.	(3.45)

Таким образом, в Г-образной схеме замещения асинхронной машины
я контуре ротора протекает ток Г2 и сопротивление, определяемое по
(I 45), отличается от г2э в Т-образной схеме замещения.

Г-образная схема замещения используется в теории асинхронных
Мишин для построения круговой диаграммы.

Коэффициент С, можно представить в следующем виде:

Г -1^ rl+JXl _ 1 . Г1Г12 + *1*12 f 0 *12 ~ */12	n ДАТ

С, = I +----;---= 1 +-------------J--—ж-2----.	(3.46)

/"12 + jxl2 rx2 + x12	r12 + XI2

Обычно в асинхронных машинах r(xl2 > xtrl2 и мнимая часть отрица-
|г>1ьпая. Поэтому в показательной форме

С^С^,	(3.47)
Рис. 3.21. Упрощенная Г-образная схема
замещения асинхронной машины

где
г.х., -х.г„
у = arctg—-----LJ2----!Л I

Г12 + Х12 + Г1Г12 + Л1 ’ll |

Г.Х., — х.г.,
~ arctg-1-12---—. (Н|)

^12(^12 "* *1)

В асинхронных машин**
единых серий у < 1°, по'иом)
можно с достаточной точное паи

считать у = 0, a Cj — вещественным числом. Модуль С,:

„	г.г„+х.х„ , X,

Cia—2------	(1г>1

г12 + Х12	Х12

В двигателях общего назначения Q мало отличается от единицы
С, ~1,02 -г-1,06. Обращаясь к (3.43), можно отметить, что Ct есть отношения

напряжения 17, к ЭДС - £, при идеальном холостом ходе: С, = — 4-.

-£)

Принимая С] = 1, во многих практических расчетах можно польш
ваться упрощенной Г-образной схемой замещения (рис. 3.21).

Соотношения параметров схем замещения двигателей единых серп!
таковы, что переход от Т-образной к упрощенной Г-образной схеме ц
мещения не приводит к заметным погрешностям. Обычно погрешноси. я
определении токов в статоре и роторе не превышает 3—5%. Чиищ
уменьшить погрешность в определении тока 70, в намагничивающий
контур Г-образной схемы замещения вводят сопротивление zb

Схемы замещения играют важную роль в теории асинхронных ми
шин. На их базе получены основные соотношения для установившим *
режимов, которые лежат в основе проектирования асинхронных машин
В последние годы схемы замещения все больше отступают на второй
план, так как ЭВМ дают возможность решать основные уравнения апш
хронных машин (3.3), (3.4), (3.7).

3.7. Круговая диаграмма

При проектировании и эксплуатации асинхронных машин необхщш
мо знать, как будут изменяться токи, потери, КПД и coscp при изменсшш
нагрузки на валу машины. Круговая диаграмма наглядно и с достаточпнП
♦юностью позволяет определить показатели машины при изменении 5 от
В» ДО +оо .

11ри изменении скольжения конец вектора тока I, описывает непре-
jutniyio замкнутую кривую, которая называется геометрическим местом
•м.1 При U\ и fx — const и постоянных параметрах (неизменных активных
а индуктивных сопротивлениях) геометрическим местом концов векторов
о »п 1Х является окружность. Эта окружность вместе с дополнительными
фяйыми называется круговой диаграммой асинхронной машины.

Круговая диаграмма имеет важное значение в теории асинхронных
*ии1ин и до сих пор используется для построения рабочих характеристик.
Нт является примером применения теории электромеханики для реше-
практических задач.

Первой работой по теории круговой диаграммы является статья
А Гсйланда, опубликованная в 1894 г. Теорией геометрических мест то-
ка электрических машин занимались многие ученые-электромеханики.
•1апбольший вклад в развитие схем замещения и круговой диаграммы
кмли Э. Арнольд, А. Беренд, А. Блондель, Р. Гольдшмидт, К. А. Круг,
М 11. Костенко, Г. Осанна, Г. Н. Петров, К. И. Шенфер и др.

Из Г-образной схемы замещения рис. 3.21 можно получить схему за-
• щсния асинхронной машины рис. 3.22. В этой схеме замещения сопро-
'ипление короткого замыкания

z, = zi + z2 = (n + r2) + J'(xi + X2 ) = r* + X >	(3.50)

•  r«, xk — активное и индуктивное сопротивления асинхронной машины
И|Ч1 коротком замыкании.

В схеме замещения рис. 3.22

г' I il~s

^=ri+ — = r,+r2+r2-----;

(3-52)

Разделив (3.52) на ух» получим

=	(3.53)

хж хж

Уравнение (3.53) есть сумма
ipcx токов, которые образуют на
«омплексной плоскости Ux, -j
|||шмоугольный треугольник ABD

Рис. 3.22. Видоизменение схемы заме-
щения асинхронной машины
Рис. 3.23. К построению круговой диа-
граммы

(рис. 3.23). При изменени! >
+оо до -оо сопротивлен»
ги = f(s) (3.51) изменяегси, и
хк не зависит от скольжен«

При неизменном фазр"
напряжении сети Ul для схем»,
замещения (рис. 3.22) при и
менении скольжения ток
обратно пропорционален ком
плексному сопротивлению
При изменении по прям""
линии геометрическим месит

концов вектора тока 1’2 является окружность, диаметр которой AD в />,
Таким образом, уравнению (3.53) и Г-образной схеме замещения на ком
плексной плоскости Ut, -j соответствует круговая диаграмма.

Построение круговой диаграммы начинают с того, что выбирают м»
штаб напряжения ти и тока т, и проводят оси Ц и -j (рис. 3.23). Далег и t

точки Ot в масштабе откладывают вектор тока холостого хода 10. Чтоом
найти точку идеального холостого хода, где s = 0, необходимо провести спо
дующие построения. Опустив из точки А' перпендикуляр на ось - j, дсл>и

отрезок А'Е примерно пополам и проводят через точку Е' линию, па|ы
лельную оси -j (рис. 3.24). Затем проводят радиусом OtA' окружнех и. и

находят точку идеального холостого хода А. Эти построения оправданы, 11»
как при холостом ходе потери в асинхронной машине включают потери к
стали и механические потери, которые примерно равны друг другу. При ш

ком построении в крупных
асинхронных машинах погреш-
ность от некоторого увеличения
реактивной составляющей тока
холостого хода небольшая. Для
микромашин приближенная
круговая диаграмма и Г-образ-
ная схема замещения дают
большие погрешности. Чтобы
двигатель попал в режим s = О,
для покрытия механических
потерь необходим дополни-
тельный приводной двигатель.



Рис. 3.24. К определению точки s = 0 Kpyi и
вой диатраг :мы
Для того чтобы получить
В круговой диаграммы более
нищые данные при номи-
Вльных режимах работы,
чш ию, на которой располо-
жи центр круговой диаграм-
MI.I, проводят не параллельно
ши ни —j, а под углом 2у
48), таким образом учитыва-
лся комплексный характер ко-
эффициента Су в схеме заме-

Рис. 3.25. Круговая диаграмма асинхронной
машины

к1гиия асинхронной машины.

Диаметр окружности ди-
мраммы токов асинхронной

ипины определяют по фазному напряжению и индуктивному сопротив-
нию короткого замыкания из (3.53), когда 1'2 = 0:



(3-54)

Проводим окружность диаметром DK с центром в точке Ок (рис. 3.25).
Ни окружности определяем три характерные точки: 5 = 0 (идеальный хо-
иостой ход), д = 1 (короткое замыкание) и я = ±°о. При я = 1 по (3.51)
равно активному сопротивлению короткого замыкания. На круговой диа-
I римме конец вектора тока I, для этого сопротивления находится в точке В.
11ри я = ±со гю = Гу, вектор тока располагается в точке С.

С помощью круговой диаграммы можно исследовать с достаточной
ичностью все статические характеристики асинхронной машины. Круго-
вая диаграмма позволяет определить основные показатели машины во
л< ех режимах работы. Все это можно сделать на стадии проектирования,
и проводя испытаний машины.

На круговой диаграмме режим работы машины двигателем занимает
H\iy окружности АВ от точки я = 0 до я = 1. Точка я =1 соответствует
(рансформаторному режиму работы асинхронной машины. Тормозной
режим занимает дугу ВС, соответствующую скольжению от я = 1 до
*»со. Генераторный режим работы асинхронной машины занимает
нижнюю дугу окружности АС от точки я = 0 до я = -оо .

После подключения к сети при увеличении нагрузки на валу асин-
хронная машина работает в двигательном режиме. При этом изменяется
скольжение от я = 0 до я = 1, растет ток от Z, = Zo до 1К в точке я = 1,
растет и ток в роторе Гг, который можно определить из круговой дни
граммы 70 — Ц + Гг.

После того как двигатель остановился (s = 1), при дальнейшем yv
личении активного момента сопротивления (например, при увеличений
груза в подъемно™ кране) ротор начинает вращаться против направлен»»
вращения поля и асинхронная машина перейдет в тормозной режим II
большинстве случаев это кратковременный режим работы. В этом ре* и
ме и электрическая мощность, подводимая к статору машины, и мехпнн
ческая мощность, подводимая к валу, преобразуются в машине в тепло И
тормозном режиме машину часто используют для быстрого остацшн»,
изменяя направление вращения магнитного поля путем переключепн»
порядка следования фаз. Поэтому этот режим называется также режимом
противовключения.

Генераторный режим работы асинхронной машины на круговой дин
грамме занимает нижнюю дугу от точки идеального холостого хода я - I)
до я = -оо . Перевести машину из режима двигателя в генераторнь" |w
жим можно путем изменения момента на валу. В генераторном режим
ротор вращается быстрее поля в том же направлении, что и поле. При
этом машина отдает в сеть электрическую мощность, преобразуя мехами
ческую энергию в электрическую.

При переходе из режима двигателя в генераторный режим сначпл*
разгружается двигатель, а затем за счет момента на валу машина подин
дится к идеальному холостому ходу (я = 0). В этом режиме механич» . ьи»
потери покрываются мощностью, которая поступает с вала от внешнею
источника механической мощности. При дальнейшем увеличении momi-и
та машина переходит в генераторный режим, причем сначала актинии»
мощность в сеть не отдается, а лишь покрываются потери в статоре (/*,(»•
Р„), и лишь при увеличении я машина начинает отдавать электрическ и
мощность в сеть.

Следует иметь в виду, что «попасть» из генераторного режима в гор
мозной через точку С нельзя. Только на круговой диаграмме точки
я = ±<® совпадают. В реальных условиях асинхронную машину перев< i и
из генераторного режима в тормозной можно путем уменьшения частоim
вращения до нуля и перехода через режимы двигательный и короткЯга
замыкания (я = 1).

Асинхронные машины общего назначения не рассчитаны для рабоп.1
в длительном режиме при больших скольжениях, поэтому практическое
значение имеет часть окружности в пределах скольжения я « ±5 ч-10%.

Круговая диаграмма позволяет определять не только токи, но и м<>
менты, мощности, потери и coscp, т.е. все основные показатели машипм
1.26. Упрощенная круговая диаграмма

। । роим круговую диа- #
j.iMMy асинхронной ма- cos<p(
««ны (рис. 3.26). На этой 1
цьирамме линия центра °-8
вввраммы проведена па-
и* i цельно оси -j. Так как °-5
двигателей в несколько

<ов киловатт коэффи-

*< нт С, можно с доста- °

пюй точностью принять Рис. 3
ранным единице, будем

нпать, что угол 2у = 0. Из конца вектора тока Z, опустим на линию AQ
рпендикуляр DF. Тогда

DE = OlDcostpt = юр1/] coscp],
«ни

DE = mUlIl costpj = -5-,	(3-55)

mP

I  mp = ml^m, —масштаб мощности.

Так как диаграмма строится в масштабе и для фазных значений то-
щи и напряжений, DE будет пропорционален потребляемой из сети ак-
fминой мощности Р\. Каждый отрезок, параллельный 17,, в масштабе
и|> цставляет собой ту или иную мощность. Так, отрезки DL и DK пред-
• । виляют собой в масштабе соответственно механическую мощность на
мну машины Р2 и электромагнитную мощность Рт (или мощность в
мн душном зазоре). Это следует из того, что при = 1К 5=1, когда точка
/»совпадает с точкой В, отрезок DL равен нулю. При 5=1 мощность на
иву также равна нулю.

Активная мощность, потребляемая из сети Pt, расходуется на покры-
|ц потерь в стали статора (отрезок FE), на покрытие электрических по-
к рь в статоре (отрезок KF). Потери электрические в роторе представле-
ны отрезком KL. Линия ОХЕ (линия -j) называется линией подведенной
мощности Рь линия АС — линией электромагнитной мощности Рэы, а
пиния А В — линией механической мощности Р2' = Рг + Рмет .

Коэффициент мощности cos^ по круговой диаграмме можно найти,
|пмерив угол ф). Удобнее, однако, построить шкалу coscp,. Для этого
типичным радиусом проводят окружность из точки О, и по точке пере-
СГ(сния G окружности с вектором тока 1Х определяют costp,.
Рис. 5.27. К определению скольжения по
круговой диаграмме

По круговой дшпримп-
можно определить так кг «
скольжение. Для этого ш иг.,
тра диаграммы Ок np<mm»T
радиус к точке В (s = (<«•) |
через точку В провод», кт
тельную к окружности (ри
3.27). Параллельно касап-iii.ni
проводят линию RT, кои>|н*
является шкалой скольжспщ
Действительно, соединив ниц
С, В и R на шкале скольженв*
получим точку, где s = 1 I'ritl
s = 0 получается при перс» ।
нии линии RT с линией Л( I’
делив отрезок RO на раним*
части, получим шкалу скот.» »
ния.

Чтобы определить см ин
жение для тока Ц, надо <•<» ы
нить конец вектора тока /, |
точкой С. Тогда при перси'ч*
НИИ ПРЯМОЙ DC СО IIIMI н-Н

скольжения и определит
скольжение для данной naip,
ки. Так же определяете»' кои»
жение и в генераторном p< *u
ме. Для более точного определения s шкалу скольжения можно смести
влево параллельно самой себе.

Зная подведенную и механическую мощности, можно из отпоив пня
отрезков LD и DE приближенно определить КПД машины (см. рис. I >|
Однако ГОСТ рекомендует определять КПД косвенным способом, ми и-
расчетным путем определяются потери, а затем принимается отношеши



P,-Yp
pt

Следует иметь в виду, что при построении круговой диаграммы и<
которые параметры рабочих режимов, в частности потери, получ.пон«
недостаточно точно, а по ГОСТ предусматривается определение КПД и
номинальном режиме с точностью до второго знака.
(' помощью круговой
рпммы можно найти
« > моменты на валу ма-
«twiiM Линия электромаг-
•и|ш>й мощности является и
иней моментов, так как

Чтобы определить пус-
. и» 1Й момент, надо из точки
I, и которой 5=1, опустить
 рпгпдикуляр на линию
»шров круговой диаграм-

,4(2 (рис. 3.28). Тогда
f|ir joK ВН в масштабе мо-

Рис. 3.28. Определение моментов по круговой
диаграмме

>. шов определяет пусковой момент Мп. Номинальный момент определя-

I для номинального тока отрезком MN. Максимальный момент,

р« питаемый двигателем, определяется отрезком KL. Точка К находится
И* пересечение окружности с касательной, параллельной линии центров
нружности круговой диаграммы.

Зная Мт Мтях и Мюм, можно найти кратность пускового момента:

к ВН - М»

" Мжм

(3.56)

и перегрузочную способность двигателя, или кратность максимального
имен га:

KL _
”“х MN Мти

(3.57)

С помощью круговой диаграммы можно построить зависимость мо-
uriirn от скольжения M=fis) — механическую характеристику асинхрон-
>»<Н машины.

С помощью круговой диаграммы характеристики и основные пара-
|ры машины определяются не только для двигательного, но и для гене-
р < торного и тормозного режимов. При этом основные построения не го-
няются.

Векторные диаграммы, схемы замещения и круговые диаграммы да-
н возможность достаточно точно и наглядно рассмотреть процессы
иск фомеханического преобразования энергии в асинхронных машинах в
111 пповившихся режимах.
3.8.	Построение круговой диаграммы
по опытным данным. Рабочие характеристики

Если известны параметры схемы замещения, рабочие характера i и
ки и кратности моментов можно определить расч< тным путем, не прнА<-
гая к построению круговой диаграммы. Однако при изучении асинхрон
ных машин и при контрольных испытаниях на заводах опытным пук м
определяют параметры схемы замещения и строят по опытным данным
круговые диаграммы.

Круговую диаграмму строят на основе Г-образной схемы замещеш ..

Параметры схемы замещения находят с помощью опытов холосгон!
хода и короткого замыкания. Определив из двух опытов параметры с»
мы замещения и построив круговую диаграмму, можно получить рабочиг
характеристики.

Снятие опытным путем рабочих характеристик асинхронных да ни
телей часто представляет большие трудности: надо иметь нагрузочную
машину, центрировать, градуировать ее показатели, собирать изм'-ри
тельную схему. Особенно трудно с достаточной точностью снимать ра(ю
чие характеристики асинхронных двигателей большой мощности. Про
вести опыт холостого хода и короткого замыкания значительно прои1.
При проведении опыта холостого хода машина работает в режиме двш в
теля, когда нагрузка на валу равна нулю. При = Umtl и fKOt измерю-. 
ток холостого хода /0 и потери Ро. По данным измерений находят

cos<p0=—.	(3.5*0

У двигателей единых серий /0 = (0,254-0,5)7„оМ, a cos<p0 = 0,1 -е- 0,2.

Для более точного определения значений /0 и Ро снимают зависимости \

Рис. 3.29. Характеристики холостого хода

асинхронного двигателя

Ро, cos(p0 от СЛ (рис. 3.29). Ко
эффициент мощности cos<p„

при увеличении Ui из-за ча
сыщения уменьшается. Потерн
растут примерно пропорции >
нально квадрату напряжения,
ток /о из-за насыщения измс
няется по нелинейному закону
При холостом ходе потери

Р0=Рл + Р^+Рсг, (3.59)

где Р,о — электрические поте

ри в обмотке статора.
Как и в трансформаторах,
можно легко рассчитать,
Инш и. Потери электрические
гносительно невелики, так как
ши пропорциональны квадрату
ч»ка, а ток /0 меньше 4юМ в 3—4
||.па. В асинхронных микро-
шигателях 10 мало отличается
щ 4ом, поэтому при исследова-
нии асинхронных двигателей
небольшой мощности пренеб-
(хлать Руо не следует. Механи-
ческие потери Рмех не зависят
(п напряжения, так как частота

Рис. 3.30. Разделение потерь холостого
хода асинхронного двигателя

«ращения в опыте холостого хода, практически, не изменяется.

Зная потери Ро, можно разделить их на потери в стали Р„ и механи-
ческие Рмех. Для этого строят зависимость Ро = f(Ug) при/= const (рис.

। 10). Так как Р„ ~ U, , а Рмех = const, то из опыта холостого хода нетруд-
но найти Р„ и Рмех.

Если необходимо учитывать Р^, надо из Ро для каждой точки вычи-
нив Pjo, которые определяются расчетным путем:

До ~ т\Ц ri •

(3.60)

Для того чтобы ток холостого хода и потери холостого хода лежали в
допустимых пределах, необходимо правильно рассчитать магнитную цепь
мпшины при холостом ходе. При расчете магнитной цепи задаются ин-
дукцией в воздушном зазоре Bs = 0,64-0,8 Тл. При этом максимальная ин-
дукция в зубцах Вяпах = 1,64-1,8 Тл, так как сечение в зубцах примерно в 2
ри »п меньше, чем площадь зубцового деления. Для нескольких значений
Нг, рассчитывают магнитную цепь и строят характеристику холостого хода.

При нагрузке поток в асинхронных двигателях из-за небольшого
уменьшения ЭДС также уменьшается, но это изменение обычно в асин-
хронных машинах единых серий не учитывается.

Опыт короткого замыкания проводят при заторможенном роторе,
«пмкиутой накоротко обмотке ротора и при пониженном напряжении, так,
'побы ток Л превышал номинальное значение не более чем в 1,2 раза.
11рн >тих условиях температура обмоток во время опыта не успеет превы-
। ин. допустимые температуры для данного класса изоляции.

В опыте короткого замыкания снимают характеристики 1„ Рк,
т*Ф, = при/= const (рис. 3.31). Так как опыт короткого замыка-
замыкания асинхронного двигателя

ния проводят при пониженном на-
пряжении, машина ненасыщеп.1
cos<pK = const. Ток 1К зависиг ш
нейно от напряжения короткого ш
мыкания. Потери короткого замыт
ния Рк — это в основном электрпч
ские потери в обмотках статори 4
ротора. Сопротивление коротми *
замыкания

(3 611

Потерями в стали можно пр<
небречь, так как опыт короной.

замыкания проводится при пониженном напряжении, а Р„ ~ Ц2, тогда

где ию 1К—соответственно, фазные напряжение и ток короткого замыка-нии
Из опыта короткого замыкания расчетным путем определяются

zK= —;	(3-U

4

XK=^ZK~rK 	(ЗсИ)

Активное сопротивление гк можно определить из (3.61) или по формул f

rK = zK cos<pK.	(3.65|

Сопротивление обмотки статора можно найти, измерив напряжена!
и ток.

В опыте короткого замыкания фиксируется напряжение коротк''1п
замыкания, при котором ток Л равен номинальному. Считая, что хара- к-
ристика намагничивания асинхронной машины линейная и Xi и х2 пост
янные, ток короткого замыкания при номинальном напряжении опредо
ляем по отношению

к,ном 1 1k1

^Аном

ихк

(3.66>

где 4,ном — ток короткого замыкания при номинальном напряжении; [/]„<>„
номинальное напряжение; /]к, t71K — ток и напряжение в опыте короткого
замыкания.
В асинхронных двига-
нх гок короткого замы-
411*, при номинальном
•чшжении Дк = (5-т7)Д1ОМ,
•• ч«му zK» = 0,144-0,2.

< )пределив из опы-
холостого хода и ко-
l-'ikoro замыкания все
•о ионные величины, пе-
ра идем к построению
ц", । оной диаграммы.

Выбрав масштабы

Рис. 3.32. Круговая диаграмма, построенная по
опытным данным

1.4Ш1 и напряжений,

•Лдем точку .v = 0. Для этого построим вектор 10, найденный из опыта

•»жк того хода. В точке A’ s * 0, так как в машине есть механические

_ _ , _ А'Е'

<1|1нпсденными на рис. 3.24. При этом ----

Е'Е

.г»|гри и Рэм * 0. Чтобы найти точку s - 0, воспользуемся построениями,

Р
__ мех
 

мим прямую, параллельную оси -j, на ней и будет располагаться точ-

Через точку Е' про-

! Я идеального холостого хода. Некоторая неточность определения по-
рсиия точки А не приводит к заметным погрешностям при расчете ос-
«ithiit.ix параметров. Найдя точку 5 = 0, далее под углом <рк проводим век-
•"(> 4.И0М и определим точку 5 = 1 (рис. 3.32). При массовом производстве
 п и кронных двигателей единых серий на поточных линиях есть участок
•ишиатического снятия характеристик каждого двигателя [1].

11отери короткого замыкания при номинальном напряжении

Р

к,ном

Ц2к

(3.67)

I 1\ — потери при напряжении t/)K в опыте короткого замыкания.

Определив на плоскости U\, - j точки А, где s = 0, и В, где 5=1, со-
Miiiiiim их и из середины АВ опустим перпендикуляр на линию центров
•руговой диаграммы AD. Линию AD проводим под углом 2у к линии АЕ.

Чтобы найти на круговой диаграмме точку 5 = ±а>, надо из точки В
Мучить перпендикуляр на линию АЕ. Разделив прямую ВКв отношении
И/ LK ~ г2: Г], найдем точку С, где 5 = ±°о . Линия АС — линия элек-
»|и!магнитной мощности. В асинхронных двигателях единых серий обыч-
MI Г] » г2, поэтому отрезок ВК разделим примерно пополам. Линия АВ —
шипя полезной мощности.
Рис. 3.33. Рабочие характеристики асинхронного
двигателя

Построение круп>ш<|
диаграммы по оп|.ппм«
данным не занимает мини
времени. Взяв на ней ни
бую точку, можно 0П|>|->|»
лить необходимые пн|<а
метры и построить риб*
чие характеристики.

Рабочие характера in
ки двигателя — это затн и
мость потребляемой м<»и
ностиРь тока Л, cos<р,. ш
мента на валу М, ckojiijh
ния и КПД от полепи*
мощности Р2 при пос юии
ных номинальных напри»*
ниях и частоте сети. I’urtn
чие характеристики ддип
возможность судить об П(

менении основных парами
ров двигателя при изменении нагрузки от 0 до 1,1—1,3 номинального чиач»
ния (рис. 3.33).

Задаваясь несколькими значениями мощности на валу Р2, находим
для этих точек значения токов /ь потребляемой из сети мощности Г} н
момент на валу М. По соответствующим шкалам после дополнительны*
построений определяем costpj и s. Коэффициент полезного дейсци*

р
приближенно находим как отношение .

О распределении активной мощности, потребляемой из сети, молин
судить по энергетической диаграмме двигателя (рис. 3.34). Забираемая m
сети электрическая мощность Pt расходуется в статоре на покрытие >л<*
трических потерь в обмотке статора

Рл =

(И.Н)

и на покрытие потерь в стали магнитопровода статора

P„=ko6fPyaG„,	(З.б'Ь

где />уд — удельные потери в стали для максимальной индукции ярма н
зубцов статора; G„— масса ярма и зубцов магнитопровода; £о6р — ко и|>
(iiiiinfr учитывающий
рпнчсние потерь в стали
н гчет обработки, £обр =
«1,1(1,5.

Потери в стали рас-
тыкают отдельно для

|рмп и зубцов, а затем их
(фымируют.

Электромагнитная

ЧН1ШЮСТЬ, или мощность в

Рис. 3.34. Энергетическая диаграмма асинхрон-
ного двигателя

*> с шном зазоре,

P3U=Pl-P3l-Pci-

(3-70)

Электромагнитная мощность расходуется на потери в роторе, а
ймыиая ее часть преобразуется в полезную механическую мощность Р2:

Р2 = Рзи -	= Р>М - Р=2 - Лех - Лоб ,	(3.71)

it* /’,2 — электрические потери в обмотке ротора,

Рэ2=т2722г2>	(3.72)

ми

Рл =P3u-P2=M3^-^)^ = M^qS = PwS.	(3.73)

ю лирические потери в роторе пропорциональны скольжению:

Р2 = Рзи~Рз2 =Лм-Лл = Л„(1-*)-	(3-74)

Они включают механическую мощность на валу Р и механические
*мн ери Рмех. Механические потери рассчитываются по эмпирическим
|н»| (мулам. В механические потери входят потери на трение и мощность,
|i*> ходуемая на вентиляцию.

Добавочные потери учитывают неточность в расчете потерь из-за на-
|Мнения и полей рассеяния. По ГОСТ они равны 0,5% номинальной
Мощности. Расчет отдельных составляющих добавочных потерь при хо-
¥>< 1<>м ходе и нагрузке производится лишь для асинхронных машин
Аолыпой мощности.

С ростом нагрузки растет ток Д, увеличиваются s и потребляемая
ицпость Рь КПД и coscp, имеют максимумы при Р2 » 0,5^0,8Р2ном. Вы-
 точки максимума КПД зависит от расчетчика, КПД имеет максимум в
(Лпксги, где постоянные потери (Рст и Р^) равны переменным потерям —
лирическим (Рэ1 и Рэ2). Коэффициент полезного действия имеет поло-
। nil максимум в области 0,5—0,8Р2ном (см. рис. 3.33), так как большинство
асинхронных двигателей в электроприводах эксплуатируются при гакцн
нагрузках. При нагрузках, близких к номинальной, и перегрузках, как >ц|
следует из круговой диаграммы, кривые /ь Рь М2 отклоняются от jiiiiu iI
него закона (см. рис. 3.33).

При Р2 - 0 coscp, не равен нулю, так как из сети потребляется ак ши
ная мощность, которая идет на покрытие потерь холостого хода. При /*; - и
Ii, Pi, s и Мтакже не равны нулю, но имеют минимальные значения При
определении рабочих характеристик используется небольшой участок круп»
вой диаграммы, поэтому получается приемлемая для практики точность.

Как и во всех электрических машинах, в асинхронных машинах ч|ю
образование электрической энергии в механическую сопровождали*
преобразованием электрической энергии в тепло, причем в асинхронны*
машинах электрические потери в роторе пропорциональны скольжсншн
Поэтому асинхронные машины экономичны при небольших скольжении^
— 1—4 %.

3.9.	Точность круговой диаграммы

При построении круговой диаграммы был сделан целый ряд доиуш-
ний, снижающих точность результатов. Основные допущения — переход
от Т-образной схемы замещения к Г-образной и постоянство парамеции

при изменении скольжения в широких пределах.

При изменении нагрузки вследствие увеличения токов в асинхронной
машине происходит насыщение зубцовой зоны, что приводит к измене
нию индуктивных сопротивлений рассеяния. При больших токах и i ц
насыщения коронок зубцов происходит как бы дополнительное раскрм
тие паза (рис. 3.35), что влечет уменьшение индуктивных сопротивлении
ротора и статора. Уменьшение хк вызывает увеличение тока коротко) rt
замыкания и увеличение диаметра круговой диаграммы.

Рис. 3.35. К воп-

росу насыщения
зубцов

Изменение диаметра круговой диаграммы приводи!
к деформации окружности, по которой скользит копгц
вектора тока I, (рис. 3.36). В первом приближен!!!!
можно считать, что геометрическое место токов при
учете изменения параметров есть линия перехода <м <т
ружности малого радиуса с центром в точке О\ к окру*
ности большого радиуса с центром в точке О2. Диамс ip
окружности с центром в точке О2 получается при дени
нии Ui на значение насыщенного индуктивного сопри
тивления короткого замыкания при s = I (xKmi.i), а
метр малой окружности получается при делении //, пн
«Нмсыщенное значение
Ц„. при 5 = 0.

Г Линия перехода от од-
окружности к другой
Ваяется приближенным ге-
грическим местом токов
•> иихронной машины с уче-
ты насыщения (рис. 3.36).
конечно, построение таких
>Ий|рамм тока более слож-

менее наглядно и связа- рис> 33^. Геометрическое место токов асин-
* со значительными по- хронной машины с учетом насыщения
Вашностями. Диаграммы

нн ,1, отличающиеся от окружности, в настоящее время в практических расче-
ч почти не применяются. Говоря о неточностях круговой диаграммы, сле-

п подчеркнуть, что как схемы замещения, так и круговая диаграмма соот-
•1 гвуют уравнениям асинхронной машины (3.15) и (3.27). Эти уравнения
••писаны для кругового поля в воздушном зазоре для машины с постоянными
г диметрами, имеющей по одной обмотке на статоре и роторе, т.е. эти урав-
и> ния соответствуют идеальной асинхронной машине.

В реальной асинхронной машине в воздушном зазоре имеется
л» с конечное число гармоник, параметры при изменении скольжения
••меняются по нелинейным законам, а на роторе и статоре кроме об-
Ь)ток еще есть несколько контуров, по которым могут замыкаться
•••кН. К этим контурам относятся контуры вихревых токов, замыкаю-

Впсся по листам стали ротора и между листами стали из-за отсутст-
изоляции, контуры, образующиеся за счет технологических фак-
щров: шлифовки поверхности ротора, запрессовки магнитопровода
шпора на вал, а магнитопровода статора — в станину, скрепления
•ьибами пакетов магнитопровода и других причин. Все это оказывает
•ипипие на характеристики машины, поэтому необходимо уметь учи-
1ыиать и оценивать влияние этих факторов на статические и динами-
кие характеристики.

Чтобы учесть влияние высших гармоник, наличие многих контуров
М роторе и статоре, нелинейности параметров и других факторов, следу-
н обратиться к уравнениям асинхронной машины и записать их с учетом
и li t факторов. Попытки уточнения схемы замещения и круговой дйа-
Вммы без уравнений, описывающих процессы преобразования энергии,
* имеют научного обоснования.

В последние десятилетия ЭВМ широко применяются для решения
шипений электромеханического преобразования энергии, и этот путь
Шике гея основным в развитии теории электрических машин. Развитие
теории асинхронных машин позволяет записать уравнения для лкИнп*
случая, встречающегося в практике электромашиностроения.

В настоящее время развитие теории электрических машин позт»и»«
записать уравнения электромеханического преобразования энергии с уш
том высших гармоник в воздушном зазоре, наличия нескольких обмечи»
нелинейностей и других факторов [4]. В области анализа и синтеза ио
трических машин в последние десятилетия достигнуты большие успс«|
Хотя схемы замещения и круговая диаграмма широко используются iq 
практических расчетах, решение современных задач преобразоииин.
энергии в асинхронных машинах возможно только при применении ' »НМ
Изучая теорию электрических машин, следует в первую очередь научи и
ся записывать уравнения для рассматриваемого случая электромех.шич»
ского преобразования энергии.

3.10.	Электромагнитный момент идеальной
асинхронной машины

В установившемся режиме ускорение —--0 и, как следуо Ж
dt

(1.105), момент сопротивления Мс уравновешивается электромагии пт-
моментом Мэм, который развивает машина. Электромагнитный момнн
определяется несколькими способами.

Электромагнитный момент можно найти, если известна мехаиич.
ская мощность:

^,м= —
%

Электромагнитный момент также определяется через электромш
нитную мощность (мощность воздушного зазора) и угловую скор<н н
поля гос:

Л/Эм=-^,	( Л/01

“с

если юс = 2л/.. При ис	=^а-. Так как из (3.70) и (.1 Hl

Р	-

„ т. (Г, У г'

Р,и= — ->«>

(П)2--	(’’"I
Hi (3.3), (3.4) электромагнитный момент идеальной электрической
«•шипы, в которой нет высших гармоник, определяется как произведение
*<>п:

(3.78)

Заменяя произведения токов и взаимной индуктивности в (3.78) по-
|Н<>сцеплениями, Мзи определяем через произведения потокосцеплений
» н>ков [7]. Электромагнитный момент можно найти также через измене-
м». шергии магнитного поля в воздушном зазоре машины:

dW

(3.79)

*7

он IF — энергия магнитного поля в воздушном зазоре; у — угол поворо-
II ротора относительно статора, соответствующий электрическому углу
• • ур;

»2
dW = ——dV,
2ЦО

Ни Во — индукция в элементе объема dV.

Энергия магнитного поля в зазоре определяется путем интшрирова-
•м« но объему зазора V = 2л7?/а80:

Г й2

W = —dV.

J 2Ио

(3.80)

Рассмотренные выше выражения (3.75)—(3.80) для определения
мекгромагнишого момента дают интегральное значение момента. При

ч>< актировании электрических машин не-
ИНодимо знать распределение усилий по
поверхности ротора и статора машины.

Па рис. 3.37 представлен элемент ко-
рн незамкнутого ротора асинхронной ма-
шины. Поверхностная плотность токового
11ОЯ

А _1гКгЛ

2 2nR ’

(3.81)

•д< /2 =

^2 тая

V2

— ток в стержне обмотки

poiopa; W2:— число стержней на роторе.

Рис. 3.37. К определению сил,
действующих на ротор
Рис. 3.38. Распределение электромагнитных
сил по длине полюсного деления

Ток в роторе и пленки
токового слоя, как и инду-ни»
распределяются по гармош*
ческому закону (рис. 3.38, <н

В = Вт sin—л;
b

Л =^2msin— 71 “У 2
kb

На проводник с током,
находящийся в магни ном
поле с индукцией В, дсИ. i
вует сила, н/м,

/Х=ВХЛХ/8.(3.82)

Токовый слой в пол- /I
на всей поверхности роюри
создаст момент

Мм = R ]fxdx , (3.83)
о

где R — радиус pomp
(см. рис. 3.37).

Подставляя в (3.83) значения А2 и В и считая, что dx = Rda, получаем

2’1

Мж = Rk B„,sin— л Um sin — л-у2 U=
J kb J kb J

0

2n

- R2l& Bm sin — л \A2m sinl —л - vy2 da=
J kb / kb /

0

= ЯХЛЛ -y cosy2 - nR2l&BmAm cosv2.

(3 !il)

Так как Ф„ = -BmZ8x1, a b и в»	получим среди. -

л	2р	218Л

значение электромагнитного момента

,,	„2, Ф„ р -Л pN., ,

^эм.ср = ЦВМА,„ cosy2 = TtR 1Ь 2 2 cosy2 =	cosy,

2/27Сл	2V2

(3 8Ь
I '1*2 — угол между потоком Фт и ЭДС Е2, а также между ЭДС и МДС
« кжом в обмотке ротора /2.

Среднее значение силы при гармоническом распределении В и 12

= — КЛЛ sinasin(a- y2)Ja = -BmI2ml6 cosy,,	(3.86)

2л о	2

t * Hm, I2m — амплитудные значения индукции в воздушном зазоре и тока
• ро горе.

Электромагнитные силы и электромагнитный момент по поверхности
I-•!«ч>а распределены неравномерно и изменяют направление (рис. 3.38, б).

Так как преобразование энергии в электрических машинах происхо-
UII н воздушном зазоре, где сосредоточена энергия магнитного поля,
! и фомагнитный момент приложен к зубцам статора и ротора. Если
•hi иигный поток проходит по зубцам, а в пазу поток равен нулю, то mo-
mi u i к обмотке не приложен. Обычно статор прикреплен к фундаменту и
«•) перемещается, а вращается ротор машины. Если дать возможность
ртцаться и ротору, и статору, они будут вращаться в противоположные
г । ороны, причем сумма угловых скоростей ротора и статора будет при-
мгрпо равна ©с — угловой синхронной скорости поля.

В практических расчетах широко применяется выражение для расче-
•« Л/,м, полученное из Г-образной схемы замещения (см. рис. 3.20):

Г2 = -.-------..........- - •	(3.87)

Jfr.+C-^) +(х,+С,х;)2

Vk s)

I йк как Рз2 = P3Ms = то

.	(3.88)

acs ocs

11одставляя в (3.88) значение тока Г2, для двухполюсной машины
получаем

Мэм =-----------(3.89)

+(Xj+CX)2

k s J

Рассматривается идеальная машина, поэтому можно, пренебрегая
м< киническими потерями, считать, что М,м равен М — моменту на валу
ЮШИНЫ.

По (3.89) построена механическая характеристика асинхронной ма-
шины M =fis) при V\ и/i = const (рис. 3.39). Механическая характеристи-
Рис. 3.39. Механическая характеристика асин-
хронной машины М=У(5)

ка также представляв »
бой зависимость ч;к пи*
вращения ротора от мом»
та п = fiM) или нао(и>рв!
M-fin).

Подставляя в (I W|
различные значения t
можно получить заши и
мость	для всех |«

жимов работы асинхронна!
машины. Согласно ( 1 К'О I

М = 0 при s = 0 и j t •
Из (3.89) следует, что момент имеет максимум при s = ±sK, т.е. при при
тическом скольжении. При увеличении скольжения от 0 до ±sK мом. н»
растет, а затем уменьшается. При этом ток /’ продолжает расти, по р.
тет реактивная составляющая, а активная уменьшается. За счет увелп'И
ния тока Л уменьшается ЭДС и поток машины.

Считая параметры постоянными, можно определить экстремума
приравняв

ds

При этом критическое скольжение

s, = ± -==SX==.	(I Wl|

Jr2 +(xi+Clx'2)2

Подставляя значение в (3.89), определяем максимальный момнн
для многополюсной машины:

2acCt (± г, + Vг2 + (х, + Cix2 )2)

(I 'Н|

Знак «+» перед (3.91) и Л относится к двигательному, а знак «- 
к генераторному режимам.

Для асинхронных двигателей единых серий и асинхронных млитн
большой мощности можно считать, что и = 0 и тогда

s,=+- С‘-2-	(1'»Я

х, + Qxj

а максимальный момент
м =±________________

т“ гсо^Сх.+с.х')

(3.93)

Максимальный момент пропорционален квадрату напряжения и об-
hto пропорционален хк = х,+х2. В (3.91) и (3.93) можно положить

г,

I и считать, что	= ± —.

хж

11ри и = 0 и Ci = 1 выражение для максимального момента имеет вид

М
л max

± pf»lul

2осхк

(3-94)

Как следует из (3.91), максимальный момент в генераторном режиме
несколько больше, чем в двигательном Л/тахд. Это объясняется тем,
«in в генераторном режиме и принимается со знаком «—» и знаменатель
1.91) меньше знаменателя в (3.91) для двигательного режима. Активное
•противление ротора определяет (3.92), и чем больше г2, тем больше
 мешается в область больших скольжений. Кратность максимального
М

момента ки = —— = 1,7 -5- 3,0. Более высокие значения ки принадлежат
^Аюм

«ш а гелям с меньшим числом пар полюсов.

На рис. 3.40 представлены зависимости момента от скольжения при
вменении активного сопротивления ротора и Ut = const,/ = const. При
н'мснении г2 максимальный момент не изменяется, и при увеличении г2
Ввисимум момента смещается в область больших скольжений. Увеличить
и ишное сопротивление обмотки можно путем подключения добавочного
I шетора к фазной вторичной обмотке.

Установившееся значение пускового момента соответствует s = 1. Из
(< КО) пусковой момент

М„

_________РтУ1гг__________
“Jfri +cir2)2 +(xi +Ci*2)2]

(3.95)

Пусковой момент про-
порционален квадрату на-
пряжения и зависит от г2.
I мещая Мтах за счет уве-
 11'1С11ИЯ г2, можно полу-
4111. Мтах - М„. Это имеет
ссто согласно (3.93) и
(1 95)при

Рис. 3.40. Зависимость момента от скольжения
при различных активных сопротивлениях ротора
Рис. 3.41. Механическая характеристика
асинхронного двигателя

1 ~ (J 1	'112/	1 

В большинстве инчир
приводов желательно и ••
пусковой момент блыким
максимальному. Это 064^ im
вает механическая хари* щи
стика с повышенным conpuil
лением в цепи ротора (крипн!
на рис. 3.41). Однако в и» >

наивном режиме при такой механической характеристике двигатель
работать при большом скольжении, что связано с большими габарнн • I
потерями и низкими энергетическими показателями. Поэтому асинл).

ные двигатели с механической характеристикой 1 используютсь н»
Двигатели единых серий имеют механическую характеристику 2, <>(•
чивающую высокие энергетические показатели, когда smM = 1+4%.

Из анализа механических характеристик 1 и 2 следует, что напйц -ч
благоприятной механической характеристикой была бы характер™ t j
сочетающая свбйства характеристик 1 при пуске и 2 в номинальном
жиме. Переход от характеристики 1 к характеристике 2 в асинхропн* I
двигателях с фазным ротором достигается путем включения в obMi
ротора при пуске резистора и закорачивании обмотки ротора при ра(м> i» 1
номинальном режиме. Двигатели с фазным ротором более дорогие и • I
пускаются для электроприводов с тяжелыми условиями пуска. В диш ш • 1
лях с короткозамкнутым ротором улучшенные пусковые характер|ц чь«
получаются за счет применения пазов специального профиля, в коюрмН
происходит нелинейное изменение г2' при вытеснении тока в пазах.

Выражение (3.89) для определения механической характер u  и
громоздкое и для упрощенных расчетов неудобное. М. Клоссом Лы I
предложена простая формула для описания механической характер») hi- -

М

М ~ s
mix _____

S.

2

s,

(PH)

s

По формуле Клосса характеристика M=fis) может быть постр», ш I
погрешностью 10—15%, если для каких-либо двух режимов работы ><
вестны М и s. Этими двумя режимами могут быть номинальный режим «
режим пуска, данные которых приводятся в каталогах.

Для устойчивой работы асинхронного двигателя и произведет™ :nii'
механизма необходимо определенное сочетание механических характер чи»
двигателя М(и) и нагрузки Мс(и). Двигатель устойчиво работает, когда
290
dM dM
--<---
dn dn

(3.98)

>юму условию соответсгвует точка 1 на
:l 42. После возмущения система возвраща-
• в исходное положение, так как при увели-
*№1 частоты вращения Мс растет быстрее, чем
(I•<! in двигателя М, и система возвращается в
|ку /. При уменьшении п, наоборот, Мс
мь|||ется быстрее, чем момент двигателя, и
« irMu снова возвращается в точку /.

11еустойчивый режим работы имеет место в
МИ 2, в которой

dM dM
--->----.

dn dn

Рис. 3.42. К определе-
нию устойчивой работы
двигателя

(3.99)

Дия устойчивой работы двигателя важное значение имеет перегру-
Н*ипм способность двигателя. При колебаниях напряжения сети и мо-
Ьвт нагрузки двигатель продолжает работать, если имеется запас ста-
«*»>< кой устойчивости, определяемый коэффициентом перегрузочной
И пОности ки, который в двигателях общепромышленного применения
Б»и 1,7—2,2.

11. Влияние высших гармоник поля на момент
асинхронной машины

В воздушном зазоре асинхронной машины существует бесконеч-
М пектр гармоник поля. Высшие гармоники в воздушном зазоре
Вюно разделить на временные и гространственные. Временные
Црмоиики появляются в зазоре машины в основном из-за несинусои-
I» юности и несимметрии питающего напряжения. Пространственные
, юпики появляются из-за нелинейности параметров, наличия зуб-
Вм ин статоре и роторе, несинусоидального распределения МДС и
пг-их технологических факторов. Хотя в зазоре асинхронной маши-
п имеется бесконечное число гармоник, влияние на момент оказыва-
и in большое число гармоник, так как подавляющее число гармоник
' г бесконечно малые амплитуды.

Модель асинхронной машины с т гармониками в воздушном зазоре
bi> явлена на рис. 3.43. Каждая гармоника поля создает момент, кото-
MI определяется произведением токов соответствующих гармоник в
Рис. 3.43. К вопросу создания момента

роторе и статоре. Наиря
ление момента завис и i 4
направления вращении н
ля соответствующей i
МОНИКИ. Общий Эленц»
магнитный момент «пр
делается суммой момя
тов от каждой гармонж
поля:

Л/Эм — Л/эм| + Л/зм2 +... + Мэш +... + Мзит.	(.1.11

Момент от i-й гармоники определяется произведениями токоп г *
гармоник в статоре и роторе:

сч"’1

где Mi — взаимная индуктивность для i-й гармоники.

Обычно число фаз i-й гармоники равно числу фаз 1-й гармоники

Для пространственных гармоник частота вращения i-й гармоники 11
раз меньше частоты вращения 1-й, основной гармоники, так как их чт чя
полюсов в i раз больше, чем у 1-й гармоники (см. § 1.7). Поэтому им
хренная частота вращения для третьей гармоники в 3 раза меньше чт *
ты вращения 1-й гармоники, для 5-й — в 5 раз, для 7-й — в 7 раз и т.д.

При пуске в ход ротор двигателя будет проходить синхронные чш i и>
ты вращения высших пространственных гармоник. При этом резулм»
рующая кривая момента будет искажаться вследствие наложения ин
новную кривую момента Мэм] моментов от высших гармоник (рис 1 14)
При / = 50 Гц и р = 1 иС1 = 3000 об/мин, для 5-й гармоники пс “ г>1«
об/мин, для 7-й пс ~ 429 об/мин и т.д.

Результирующая кривая момента вблизи точки 5 = 1 искажается и имя
провалы (рис. 3.44). При проек-
тировании машины следует
обеспечить наименьшие иска-
жения кривой М = fis), так как
провалы в кривой момента мо-
гут привести к тому, что при
разгоне ротор двигателя за-
стрянет» вблизи синхронной
частоты вращения одной из
высших гармоник, имеющей
большую амплитуду. Если кри-
вая момента сопротивления Мс

Рис. 3.44. Влияние пятой гармоники (Л,
на результирующий момент, Л/э1 — момгж
первой гармоники
• V  « кается с результирующей
фниой момента вблизи s = 1
'••чмп 6), двигатель будет ус-
«iiino работать на промежу-
щной частоте вращения, не
•>• ш до номинальной частоты
мщения (точка а на рис. 3.45).
ti enio этот режим является
нежелательным, так как
•►<> место большие потери в
С«»|н Рл из-за большого
«.жения по 1-й гармонике.

Рис. 3.45. Влияние провалов в характери-
стике М -fis) на разгон двигателя до номи-
нальной частоты вращения.

Ч тобы уменьшить провалы в кривой момента, надо уменьшить ам-
ипуды высших гармоник поля в воздушном зазоре. Для этого необхо-
Со стремиться распределение МДС выполнять близким к синусоиде,
врать определенные соотношения чисел зубцов на роторе и статоре,
himn> скос пазов и выбирать необходимое раскрытие пазов, т.е. прини-
»|«п. псе меры к уменьшению амплитуд высших гармоник поля. Кривая
►«мента идеальной машины является лучшей, и к ней стремятся при про-
► «нровании асинхронных машин.

Моменты высших гармоник, действующие на ротор асинхронной
«мшины, называются добавочными. Их можно разделить на асинхрон-

, синхронные, гистерезисные и реактивные. Кроме этих моментов
►шикают моменты, вызванные радиальными вибрационными силами.

Асинхронные моменты от высших гармоник по своему действию
Шщпы с моментом основной гармоники, но имеют меньшие амплитуды
• меньшие синхронные скорости. Поля статора и ротора, созданные то-
мми высшей гармоники, неподвижны относительно друг друга. Механи-
•• кая частота вращения ротора для всех гармоник одна и та же, поэтому
понижение для v-й гармоники

(3.102)

।, mLV — синхронная угловая скорость для v-й гармоники.

Определение влияния добавочных моментов на характеристики машины
нм пню с решением на ЭВМ систем уравнений типа (3.3), (3.4) для несколь-
»№ шрмоник или в упрощенном виде по схеме замещения для каждой v-и
МН1МОПИКИ. Схема замещения для v-й гармоники имеет тот же вид, что и для
•Мрвой, но необходимо определить параметры для v-й гармоники.

Момент v-й гармоники можно найти, если известна электромагнит-
ам мощность v-й гармоники:
р р

М=^ = —

(3 Ю»

со so
CV	V CV

где P3MV — электромагнитная мощность v-й гармоники; P32v — элек ipiri
ские потери в роторе от v-й гармоники.

Так же, как и при определении электромагнитного момента по I |
nf*

гармонике (3.76), Mv = -• э—, когда cocv = 2л/,, или Mv по (3.103), ми .

со

CV

2л/,
“cv =---L-

pv

Добавочные асинхронные моменты играют значительную poj> а
асинхронных машинах с короткозамкнутым ротором, так как в них ohpe
зуются контуры для токов высших гармоник. В машинах с фазным рот
ром влияние асинхронных добавочных моментов существенно мепым
так как в них практически отсутствуют контуры, где могли бы замыки i ц а
токи высших гармоник.

Синхронные моменты появляются в асинхронных машинах, ком»
частота вращения одной из высших гармоник совпадает с частотой при
щения ротора или кратна ей. Во время пуска ротор проходит синхроши.
скорости высших гармоник и может «застрять», если синхронный момен i
достаточно велик (рис. 3.45). Синхронный момент создает глубокие при
валы в кривой момента в узкой области частоты вращения ротора, но
счет накопленной кинетической энергии ротора обычно застреванпч м
наблюдается.

Синхронные моменты от зубцовых гармонических статора и роюр*
наиболее неблагоприятны при условиях z,=z2 и z2-zl=±2p. Пр
z1 = z2 совпадают частоты гармоник, вращающихся в одну и ту же со
рону, а во втором случае — частоты гармоник, вращающихся в прочит
положные стороны. Совпадение частот вращения гармоник при z, ।
может иметь место при неподвижном роторе, и если момент сопротип i
ния велик, а основной момент небольшой, двигатель не 6} дет разгонять'. 

Реактивные моменты возникают из-за различной магнитной проио
димости, обусловленной наличием зубцов на статоре и роторе. Ферри
магнитное тело в магнитном поле стремится занять положение, com ur i
ствующее наименьшему магнитному сопротивлению. Наибольшие реи»
тивные моменты имеют место при z, = z2 (рис. 3.46). Реактивный мп
мент может возникать при наличии обмотки только на статоре или рои
ре. Реактивный момент возникает при гладком статоре или роторе, koi,-и
полюсное деление зубцовой гармонической xv совпадает с зубцовым и«>


wiikm ротора tz2 =-----. Реак-

Z2

чм1Ыс моменты могут оказывать
•» нн*е влияние, но могут исполь-
ишиься и для получения положи-
<>н1.ных технических эффектов.

Кроме рассмотренных мо-
vtiiroB в асинхронных машинах
wuyi возникать гистерезисный

Рис. 3.46. Возникновение синхронных
реактивных моментов в асинхронном
двигателе

«••мент и момент от вихревых то-

(Н Следует отметить, что возникновение потерь в роторе связано с воз-
никновением моментов. Потери в стали также создают момент. Потери в

< шин делятся на потери на перемагничивание — на гистерезис и на вих-
це токи. Потери в стали в роторе создаются как от основной, так и от
w ших гармоник. Несмотря на то что амплитуды высших гармоник не-
•ииыпие, за счет высокой частоты они могут создавать потери в стали
ри юра, соизмеримые при номинальном режиме с потерями от основной
Прмоники. При небольших скольжениях частота в роторе 1—2 Гц, и при
pti'icre КПД двигателей единых серий потерями в стали в роторе пре-
й*брегают.

Гистерезисный момент Мг зависит от скольжения, как это показано
•* рис. 3.47. Там же представлена зависимость момента вихревых токов
, <н скольжения. Момент от вихревых токов подробно рассматривается
• | 3.12. Гистерезисный момент при переходе через синхронную частоту
«ршцения изменяет знак, а затем не зависит от скольжения. В асинхрон-
ных машинах единых серий гистерезисный момент практически не ока-
lunnCT влияния на работу машины.

Применяя специальные магнитные материалы, можно в микродвига-
1« 4ях получить достаточно большие гистерезисные моменты. Гистере-

Гис. 3.47. Гистерезисный момент и момент от
кихревых токов

зисные двигатели рассмот-
рены в § 4.23.

Как правило, создавая
электрические машины,
стремятся уменьшить ам-
плитуды высших гармоник
поля в воздушном зазоре
асинхронной машины, но
иногда, наоборот, создают
благоприятные условия для
одной из высших простран-
ственных гармоник, умень-
Рис. 3.48. К определению тангенциальных
и радиальных сип в электрических машинах

шая момент от 1-й гармоники
Часто в электроприводах нсоб
ходамо иметь низкие час кии
вращения приводного мехашп
ма без применения мехапич*
ского редуктора. Это можнн
обеспечить в многополюсных и
редукторных двигателях, раГш
тающих на одной из простраш i
венных гармоник поля.

Создать благоприятные v<
ловия для 5-й или 7-й гармоники
и сделать одну из них основной
имеющей наибольшую амшппу
ду, можно путем выбора онрг
деленного соотношения числи
пазов на роторе и статоре. Дни
этого момент от 1-й гармоники
уменьшается за счет укорочения шага обмотки, а амплитуда высшей i пр
моники искусственно увеличивается. Например, если шаг обмотки
у » 0,1т или у « 2т ЭДС 1-й гармоники при таком укорочении стреми к и
к нулю.

Рассмотренные выше вращающие моменты создаются тангенциши.
ными силами FT, действующими вдоль касательной к окружности розорп
Наряду с тангенциальными силами в машине есть радиальные силы I,,
создающие тяжения и действующие вдоль радиуса ротора (рис. 3.48).

Обращаясь к модели асинхронной машины (рис. 3.48), следует пол
черкнуть, что тангенциальные силы создаются произведениями током,
протекающих в обмотках статора и ротора в различных осях (ip ira и i’i('),
а радиальные силы создаются произведениями токов статора и ротора,
принадлежащих обмоткам, расположенным на одних осях (i„i„ и ipip.

В идеальной машине, имеющей равномерный воздушный зазор, рл
диальные силы не влияют на результирующий вращающий момент, ши
как произведения токов в статоре и роторе по одной оси i'i' - ipip равны
друг другу и не создают тяжения. В реальной машине, имеющей нераи
номерный зазор и люфты в подшипниках, радиальные силы создают внб
рации и шумы.

При скосе пазов, несимметричном расположении статора и ротора и
аксиальном направлении появляются тяжения, направленные вдоль оси
машины (рис. 3.49). Эти силы стремятся поставить ротор в симметричное
Виюжение относительно статора. Акси-
альные силы Fa воздействуют на подшип-
ники и также являются источниками виб-
। «дни и шума. Небольшие несоосности
>< нора и ротора в серийных машинах ис-
виючаются путем применения роликовых
подшипников или свободного закрепления
«иного из шариковых подшипников.

Наличие в машине аксиальных и ради-
альных сил используется в специальных
машинах для получения возвратно-посту-
|И1сльного движения ротора, а также для

Рис. 3.49. Возникновение ак-
сиальных сил

Оперирования колебаний в виброприводах и других механизмах.

Электромагнитные моменты приложены к статору и ротору, так как
мскгромеханическое преобразование энергии происходит в воздушном
•юре. Если дать возможность вращаться ротору и статору, они будут
 рсмещаться в противоположных направлениях.

Высшие гармоники поля наряду с 1-й гармоникой оказывают влия-
н iu на моменты, действующие в аксиальном направлении, и на радиаль-
ные силы. Изучение этих сложных взаимодействии выходит за рамки
«••иного курса.

В реальной машине нельзя избавиться от высших гармоник, их ам-
ил и гуды можно только уменьшить. Как правило, учет влияния высших
। ирмоник на процессы преобразования энергии в электрических машинах
• низан со сложными уравнениями, которые решают с помощью ЭВМ [4].

3.12.	Влияние вихревых токов на момент
асинхронной машины

В асинхронных машинах вращающееся поле создается токами, про ге-
итищими в обмотке статора. Вращающееся поле наводит в обмотке ротора и
м> всех дополнительных контурах на роторе и статоре так называемые вихре-
• 'с токи. Вихревые токи участвуют в создании электромагнитного момента,
in»t как частоты их в роторе и статоре находятся в том же соотношении, что и
Him рабочих токов, а поля вихревых токов ротора и основной обмотки непод-
вижны относительно друг друга. Вихревые токи наводятся также и высшими
трмониками поля воздушного зазора. Вихревые токи замыкаются в листах
•л или магнигопроводов статора и ротора, в контурах, образующихся при за-
юшке короткозамкнутой обмотки и листами стали ротора, а также в контурах,
1

б)

Рис. 3.50. Ротор двигателя с двойной бели тьей
клеткой (а), формы пазов и возможные выпол-
нения обмотки (б)

образующихся при шлиф»1
запрессовке и креплении im
кетов магнитопроводов рои
ра и статора.

Таким образом, обыч
ную асинхронную машин»
надо рассматривать как мп»
гообмоточную, имеющую >•
сколько контуров на роторе и
статоре.

Учет влияния вихревых токов необходим при расчете динамически; |
жимов и в установившихся режимах при работе машин в широком диапа ши»
изменения скольжения, а также для двигателей повышенной частоты.

Установлено, что из всего многообразия контуров роторных вихр
вых токов в большей степени влияние на вращающий момент оказывав»
контуры, образованные стержнями клетки и сталью ротора.

Чтобы разобраться во взаимодействии многих токов, протекающих 
контурах машины, надо иметь математическую модель, описываь |цую
процессы электромеханического преобразования энергии в многообма
точных электрических машинах.

Уравнения многообмоточных машин имеют важное значение в и<
рии электрических машин, так как большинство машин имеют по ш>
сколько обмоток (синхронные машины, машины постоянного того
Асинхронные машины также могут иметь несколько обмоток, например
двигатели с двойной беличьей клеткой (рис. 3.50). Математическое <»ин
сание процессов в многообмоточных машинах можно применять для шт
лиза распределения токов в массивных частях машины, в параллельных
ветвях обмоток и т.п.

Математической моделью много-
обмоточной асинхронной машины
является обобщенный электромехани-
ческий преобразователь энергии—т, п-
обмоточная двухфазная машина (см.
рис. 1.33). В этой машине на статоре т
обмоток, а на роторе п. Рассмотрим
двухфазную машину, так как в двух-
фазной машине меньше уравнений
напряжения, чем в трехфазной, а сим-
метричные трехфазные машины легко
приводятся к двухфазным (см. § 1.13).

Уравнения т, и-обмоточной ма-
шины подробно рассматриваются в
298

Рис. 3.51. Модель машины с одной
обмоткой на статоре и двумя
роторе

®ip

т

™2а

Wla

“р
|Il Здесь же рассмотрим уравнения самой простой из многообмоточных
•шиш — асинхронной машины с одной обмоткой на статоре (	, и^р) и

•>мя обмотками на роторе (w[a, wrip, wr2a и w2p ) (рис. 3.51). Эта модель
нюляет учесть влияние вихревых токов ротора на характеристики ма-
.... Можно и контуров вихревых токов ротора, упрощая картину рас-
Ксления токов в роторе, привести к одной эквивалентной обмотке,
чно, это большое упрощение, но при нелинейной зависимости пара-
ен ров эквивалентной обмотки от скольжения такое допущение не при-
шли! к большим расхождениям расчета с экспериментом.

Уравнения машины с одной обмоткой на статоре и двумя на роторе
•«но представить в матричной форме:

		к+4^» at	—Af,i  dt "		0	0	0		
		—мп dt "			AX	ЧХ			'Ta
	*а	—мгх dt 21	>'	d ^2а+~гАа at	AAX	£X		X	«I.
-				-^.2%					'(p
*		~M2lar			—M'n dt 21		iM2i		'i
1**		0	0	0	dt "		e?  -Ts  T3		’ip

(3.104)

Мэм ~ -^iiO'iaAp ,ia,'ip) +	Wip) 	(3.105)

Электромагнитный момент состоит из двух составляющих:
=	+ М12, где Мц — момент от произведения токов в обмотке

। гора и первой обмотке ротора, а Mi2 — момент от токов в обмотке
г ора и второй обмотке ротора.

Система уравнений (3.104) и (3.105) описывает процессы в трехобмоточ-
•Ш асинхронной машине в переходных и установившихся режимах. Урав-
d .

*чшя установившегося режима получаются из (3.104) заменой — /со .

dt

На рис. 3.52 представлена результирующая механическая характери-
инка асинхронной машины с двумя обмотками на роторе. Сопротивле-
м обмотки ротора, эквивалентной вихревым токам, большое, и крити-
чое скольжение ее лежит в области больших скольжений, а активное
♦^противление первой рабочей обмотки небольшое.
Ml

Рис. 3.52. Влияние вихревых токов на механиче-
скую характеристику

Следует обратить пни
мание на то, что механич.
екая характеристика имс*ч
минимальный момент Л/,
который меньше пусковою
момента. Наличие Л/^
объясняется влиянием
ревых токов и высших тар
моник, причем влиянь
вихревых токов являет* и

определяющим. Согласно ГОСТ, М„щ не должен быть меньше 0,8Л/п.

Механическая характеристика с минимальным сопротивлением Mt, |
механическая характеристика с предельным сопротивлением М12 (рис. 3.52)
отраничивают все возможные механические характеристики, которые
могут быть получены при изменении числа обмоток, их активных и ин-
дуктивных сопротивлении, изменяющихся по нелинейным законам. Теоретт»
чески диапазон механических характеристик занимает область M=j(s) при
г2 » 0 и г2 « оо. К этим условиям приближается ротор К. И. Шенфера, коп»
рый представляет собой массивный стальной цилиндр с профрезерованными
пазами, в которых лежит короткозамкнутая медная обмотка.

Уравнения (3.104) и (3.105) являются уравнениями двухклеточнон»
двигателя без учета вихревых токов. Для учета вихревых токов в porojw
двухклеточного двигателя можно условно ввести на ротор третью обмо»
ку. Двигатели с двойной беличьей клеткой имеют улучшенные пускОиЫ»
характеристики.

Уравнения (3.104) и (3.105) моделируются на цифровой ЭВМ. Вы
числительные машины позволяют оптимизировать параметры обмоток и
получить желаемый вид статических и динамических характеристик.

Двигатели с шихтованным ротором и короткозамкнутой обмоткой
изготовляются до частот вращения 5000—6000 об/мин. Чтобы обеспечшь
механическую прочность ротора при больших частотах вращения, роторы
асинхронных высокоскоростных двигателей выполняют стальными, ftw'
пазов, а вал и магнитопровод изготовляют из одной заготовки. Такие дин
гатели получили название асинхронных двигателей с массивным рои»
ром. Асинхронные двигатели с массивным ротором применяются в ст
циальных случаях, так как имеют низкие энергетические показатели и
более трудоемки.

В массивном роторе токи замыкаются по стали и активное сопротпн
ление г2 больше, чем у двигателей с короткозамкнутой обмоткой из мели

или алюминия. У двигателей с массивным ротором критичео***»
< кольжение s, «— лежит в области
*«

« 3 -s- 4 и механическая характери-
иика имеет вид рис. 3.53. Номиналь-
ное скольжение у двигателей с мас-
сивным ротором значительно больше,
чем у двигателей общего назначения,
и поэтому электрические потери в
роторе большие. Низкие КПД и coscp

Рис. 3.53. Механическая характери-
стика двигателя с массивным ротором

двигателей с массивным ротором ограничивают их применение.

Упрощенная схема путей магнитного потока и распределения токов в
поверхностном слое массивного ротора дана на рис. 3.54. В массивном
роторе токи и магнитный поток замыкаются по стали, а обмотки и магни-
1<>провод совмещены. При изменении скольжения и частоты токов в ро-
ире происходит перераспределение токов и большая часть тока при уве-
личении нагрузки и скольжения вытесняется к поверхности ротора.

Из-за сильного поверхностного эффекта вихревые токи протекают в
равнительно тонком слое. Эквивалентная глубина проникновения зави-
сит от частоты тока в роторе, а также от свойств ферромагнитного мате-
пиала: — относительной магнитной проницаемости и р — удельного

Рис. 3.54. Упрощенная схема путей магнит-
ного потока и распределение вихревых токов
। поверхностном слое массивного ротора

электрического сопротивле-
ния. Следует отметить, что
путем выбора ферромагнит-
ных материалов получить не-
линейное изменение пара-
метров ротора в широких
пределах не удается.

В ферромагнитном ро-
торе, выполненном из стали
марки СтЗ, при s = 1 и f =
= 50 Гц глубина проникнове-
ния 1—3 мм. При номиналь-
ном скольжении s = 0,054-0,1
глубина проникновения 5—
15 мм. В первом приближе-
нии можно считать, что глу-
бина проникновения обратно
пропорциональна -Js .

Подобно тому, как это
имело место в асинхронных
Рис. 3.55. Массивный ротор, со-
стоящий из и слоев

двигателях с глубоким пазом, при пускг
активное сопротивление массивного рою
ра большое, а индуктивное сопротивлении
рассеяния — небольшое. С уменьшением
скольжения активное сопротивление |ю
тора уменьшается, а индуктивное сонро
тивление рассеяния увеличивается.

Для улучшения энергетических хц
рактеристик двигателя с массивным ро
тором применяют омеднение роторп
Уменьшение активного сопротивления

за счет омеднения снижает номинальной
скольжение и приводит к повышению
КПД. Иногда на массивном роторе фрс

зеруют пазы и выполняют медную клетку. Такой ротор был предложен
К. И. Шенфером и носит его имя.

Чтобы уменьшить момент инерции двигателя с ферромагнитным ро-

тором, можно его выполнить в виде стакана, у которого толщина стенок
равна глубине проникновения в рабочих режимах. Однако из-за низких
энергетических показателей и магнитного тяжения ротора к статору таки»

двигатели не нашли широкого применения.

Теория асинхронного двигателя с массивным ротором может бып>
изложена с тех же позиций, что и для асинхронных машин общего назна-
чения. Массивный ротор можно разбить на ряд слоев и рассмотреть еш
состоящим из и полых цилиндров (рис. 3.55). Тогда математической мо-
делью двигателя с массивным ротором будет модель многообмоточной
машины с т, и-обмотками (см. рис. 1.33). Упрощая ее, можно прийти х
обычной модели машины с одной обмоткой на статоре и одной обмоткой
на роторе. В отличие от машин общего назначения, сопротивление об
мотки ротора при изменении скольжения будет меняться в большей ст*
пени по нелинейным законам. Основная трудность состоит в определении
нелинейных зависимостей активного и реактивного сопротивлений мае-
сивного ротора. Подробно теория двигателя с массивным ротором рас-

сматривается в спецкурсах.

3.13.	Учет нелинейности параметров
в статических режимах

В уравнения электромеханического преобразования энергии (1.100)
и (1.105) входят пять параметров (гь r2, L, L2, М) и момент инерции J. 11
i штических режимах, когда Ор = const, момент инерции J, который вхо-
4т в уравнение движения, не оказывает влияния на процессы преобразо-

</<о

пиния энергии, так как = О  Поэтому на работу асинхронной ма-
шины в установившихся режимах могут влиять изменения активных и
индуктивных сопротивлений.

Активные сопротивления могут изменяться за счет вытеснения тока
и изменения температуры. Изменения п и г2 вследствие изменения тем-
пературы, как правило, являются медленными и обычно не учитываются.
При снятии характеристик в соответствии с ГОСТ необходимо сначала
почести машину до установившейся температуры, дав ей поработать 1 ч,
й затем снимать характеристики. Вытеснение тока в проводниках обмотки
на гора незначительно при частоте 50 Гц, а изменение сопротивления
обмотки ротора при пуске оказывает значительное влияние на процесс
разгона двигателя и используется для получения желаемого вида механи-
ческой характеристики. Хотя процесс пуска двигателя относится к пере-
кидным процессам и рассматривается в § 3.14, здесь рассмотрим вытес-
нение тока в пазах ротора при различных скольжениях.

При изменении скольжения частота в роторе =/is меняется в ши-
роких пределах. При s = 1 частота в роторе равна частоте сети. Так как
11 'жни короткозамкнутой обмотки ротора окружены сталью, ток ротора
IH.I .есняется к воздушному зазору.

На рис. 3.56 показано вытеснение тока в пазу двигателя с глубокими
разами. Чтобы найти распределение тока в пазу при вытеснении тока,
рпюбьем стержень по высоте на и слоев (рис. 3.56, а). Индуктивное со-
щотивление слоев стержня различное, так как поток пазового рассеяния
распределяется по высоте паза неравномерно и индуктивное сопро-
। пиление слоев, лежащих на дне паза, больше, чем индуктивное сопротивле-

ние слоя, расположенного
Гшиже к зазору: х1оп > x/lon.
Нри этом магнитная про-
ницаемость стали считается
1>нвной оо. Из-за различия
। оцротивлений токовых
споев плотность тока А/ по
иысоте распределяется не-
ранномерно (рис. 3.56, 6).
in этом рисунке Д7ср —
рпспределение плотности
н>ка при s = 0. Неравно-
мерное распределение тока

Рис. 3.56. К определению вытеснения тока в
глубоком пазу
приводит к увеличению потерь в роторе, что можно представить экшн»»
лентным увеличением активного сопротивления обмотки за счет эфф<
вытеснения тока. Индуктивное сопротивление за счет эффекта вьпс< и*
ния тока уменьшается.

Задачу о вытеснении тока в пазу впервые рассмотрел Ф. Эмдс. Им
теснение тока происходит в участках обмотки ротора, окруженных < ia
лью, поэтому активное сопротивление обмотки ротора

'2=^2п + Г2л.

а индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора

^2=^2п+^2л>	(ЗЛИ/|

где г2’п и х2п — активное и индуктивное сопротивления пазовой чт ж
обмотки при равномерном распределении тока (f2 = 0); г2л, х2л — сощн»
тивления лобовых частей обмотки; кг и А* — коэффициенты, учитыртн

щие изменение сопротивлений из-за вытеснения тока;	
к sh2£+sin2£ .  r ch2^-cos2^’ 3sh25-sin25	(3.10*1
	(З.|о‘‘|
х 2^ch2^-cos2^ ’	
здесь	
	(3.1Ю1
	
где h — высота стержня (рис. 3.56); hup — эквивалентная никновения тока при поверхностном эффекте:	глубина п|«
. 1 2  лпр = <—Y®>	(ТИП
VMe	

здесь у — удельная проводимость; магнитная проницаемость для
материалов, кроме ферромагнитных,	щ = 4л-10'7 Гн/м; о = 2n/|.v

Глубина проникновения зависит от материала обмотки и часто iij i.
ка. Чем выше частота, тем больше сказывается эффект вытеснения шм
В обмотках с большим удельным сопротивлением эффект вытеснит-
сказывается слабее.

Для медных стержней при 50 °C р = 1/у = 0,02-10-6 Ом-м, при Ь >
(короткозамкнутые обмотки не имеют изоляции) для частоты 50Гц

^ = 2л-10~3 —

100

50.V

10-0,0210’6 ’

или приближенно
304


(3.112)

Для медных стержней при/= 50 Гц
н v - 1 Е, я h, а для алюминиевого стерж-
ни, считая, что р алюминия примерно в 2
1>п га больше р меди, имеем Е, « 0,7Un/s .

Зависимость кг и от Е, представ-
iiruu на рис. 3.57. В рабочем диапазоне
(4 = 1 -г 4 ) кг и можно апроксимиро-
niiib и считать kr а кх Эти

пшисимости на рис. 3.57 показаны Рис. 3.57. Зависимость кг ик* от Е
in । риховой линией.

У медных стержней вытеснение тока сказывается при h > 1 см, а у
шцоминиевых — при h > 1,4 см.

В двигателях с глубокими пазами при высоте стержня 5 см кг » 5, а

I. и 3,33 раза меньше, чем в рабочем режиме.

Значительное изменение сопротивлений обмотки ротора искажает
нпшрамму тока, которая для асинхронного двигателя с глубокими пазами
ииьвана на рис. 3.58. В настоящее время статические и динамические харак-
| ристики двигателей с глубоким пазом рассчитываются с помощью ЭВМ.

У машин с глубоким пазом кратность пускового момента выше, а
крапюсть пускового тока меньше, чем у асинхронных машин общего на-

шачения:

к -

= 1-1,4;

Гис. 3.58. Геометрическое место
nikon асинхронной машины с
। ахбоким пазом

к. = —= 4,5-ь6,0.

I

ном

Разбивая стержень по высоте на п
слоев, можно определить вытеснение
тока для любой фпрмы паза

Несмотря на благоприятные харак-
теристики машин с глубоким пазом, они
выпускаются в ограниченном объеме,
так как применение глубоких пазов при-
водит к увеличению диаметра ротора и
габаритов машины.

В серии 4А выпускается модификация
двигателя с повышенным моментом, имею-
щих ротор с двойной беличьей клеткой с
Рис. 3.59. Механические характеристики двига-
телей для различной формы пазов в роторе

отношением площадей
ковой и рабочей обмот
пределах 0,2—0,6.

Помимо двигателей с
глубокими пазами широко
применяются обмотки с па*
зами колбообразного, бу-
тылочного и трапецеи-
дального профилей.

На рис. 3.59 представ-
лены механические характе-
ристики асинхронных дви-
гателей с пазами различной
формы. Кривая 1 — меха-
ническая характеристика

двигателя с круглыми па-
зами. Зону между кривыми
2 и 3 М = fis) занимают
двигатели с глубокими па-

зами и трапецеидальными, причем двигатели с трапецеидальными пазами
имеют механическую характеристику, близкую к кривой 3. Зону между
механическими характеристиками 3 и 4 занимают двигатели с двойной
беличьей клеткой и двигатели с пазами колбообразного профиля. При
этом характеристика 4 относится к двигателям со стержнями колбообраз-
ного профиля.

Вследствие увеличения индуктивного сопротивления рассеяния мак-
симальный момент у двигателей с фасонными пазами меньше на 15—20% по
сравнению с двигателем, имеющим круглые пазы, a cos<p снижается ня

4—6%.

В обмотках роторов асинхронных машин явление вытеснения токе
используется для получения положительного технического эффекта
улучшения пусковых характеристик при сохранении высоких энергетиче
ских показателей в номинальном режиме. Явление вытеснения тока про-
являет себя и в обмотках статора. Чтобы уменьшить его, как и в транс-
форматорах, параллельные проводники делают с отношением h/b, близким и
единице, а в машинах большой мощности выполняют и транспозицию.

При исследовании характеристик асинхронных машин следует учи
тывать не только вытеснение тока, но и наличие вихревых токов, а также
насыщение.

Чтобы получить лучшие технико-экономические показатели, во

асинхронные двигатели выполняются насыщенными: номинальное н
пряжение находится на колене кривой намагничивания В(Н) (рис. 3.60).
306
Рис. 3.60. Характеристика намагни-
чивания и взаимной индуктивности
от насыщения асинхронной машины

Насыщение магнитной системы
машины сказывается на значении
11имной индуктивности М, которая
«ходит в уравнения напряжений ма-
шины (3.3). Нелинейное изменение
М вызывает появление высших
пфмоник в воздушном зазоре и
илияет на статические и динамиче-
екие характеристики машины, а так-
ж<- является дополнительным источ-
ником вибраций и шума машины.

Так как намагничивающий ток является функцией времени, то и вза-
имная индуктивность является функцией времени, поэтому

L(f) = M(t)+La(f).	(3.113)

Полная индуктивность обмотки, взаимная :шдуктивность и рассея-
ние от времени пуска могут изменяться по различным законам. Чтобы
учесть изменение L, М, L„ и определить их влияние на статические и ди-
ннмические характеристики, надо знать изменение их от времени и, под-
li авив в уравнения электромеханического преобразования энергии, ре-
шить уравнения (3.3) и (3.4) с помощью ЭВМ. Непостоянство парамет-
рон, их нелинейная зависимость от времени усложняют решение уравне-
ний, увеличивают время решения, но принципиально не изменяют вид
уравнений. Как правило, при составлении программ на ЭВМ учитывается
нелинейность изменения параметров, и в частном случае уравнения ре-
шаются при постоянных параметрах.

В машинах общего назначения поток рассеяния составляет 3—8%
ш ионного потока и замыкается по воздуху. Поэтому индуктивности рас-
сеяния статорных и роторных обмоток можно считать не зависящими от
аевщения. Далее можно принять допущение, что L и М от времени из-
меняются по одному и тому же закону. Это дает возможность значитель-
но упростить решение уравнений.

При рассм< трении уравнений многообмоточных машин в § 3.12 бы-
•IP отмечено, что механические характеристики многообмоточных машин
» любым числом обмоток располагаются в зоне идеальной характеристи-
ки с малым активным сопротивлением и механической характеристикой
мшеивного ротора. Изменяя форму пазов, нелинейные зависимости па-
||цмегров обмотки ротора и число обмоток, можно получить любую ме-
ялническую характеристику, находящуюся в зоне между характеристика-
ми Л/ц и Mi2 (см. рис. 3.52).

В насыщенной машине все гармоники связаны между собой, гармо-
ничен кий спектр полей в зазоре изменяется в зависимости от нагрузки,
напряжения и частоты. В воздушном зазоре асинхронной машины поя»
ляются гармоники, связанные с насыщением, и возникают связи между
ними. Однако уравнения насыщенной машины можно свести к уравнепи
ям т, n-обмоточной машины.

Уравнения обобщенного ЭП ти,и-обмоточной машины являются пни
более общими уравнениями в электромеханике и описывают процессы
преобразования энергии в многообмоточных машинах с учетом нелинсП
ностей и спектров гармоник магнитного поля в воздушном зазоре [4].

3.14.	Переходные процессы в асинхронных
машинах

Переходные процессы имеют место при изменении нагрузки на валу,
напряжения, частоты сети, направления вращения при включении и or
ключении машины от сети, при изменении параметров асинхронной ми
шины. Переходные процессы описываются дифференциальными уравне
ниями асинхронной машины (3.3) и (3.4) или их видоизменениями. Усш
новившиеся процессы являются частным случаем переходных процессоп
Во многих устройствах асинхронные машины непрерывно работаю! м
переходных режимах, и умение проектировать их с учетом переходным
процессов определяет их массу и другие технико-экономические показа
тели. К таким устройствам относятся приводы с ударной нагрузкой (дро
билки, электрохолодильники и т.п.), крановые приводы и т.д.

Наиболее важными переходными процессами являются процессы
пуска в ход, торможения, реверса, повторного включения и изменении
нагрузки на валу. Чтобы исследовать эти процессы, необходимо на ЭВМ
решить уравнения (3.3) и (3.4) при тех или иных значениях параметр»»
питающего напряжения и частоты [4].

На рис. 3.61 и 3.62 приведены осциллограммы пуска двигатели
4А10084УЗ (Р2 ~ 3 кВт, пс = 1500 об/мин). Осциллограммы получены при
моделировании (3.3), (3.4) на ЭВМ. Как видно из рисунков, в начале пс
реходного процесса броски токов максимальны. В первый полупериод
наступает максимальный бросок моментов — так называемый ударны»
момент Муд. На колебания токов и момента отвечает и частота вращении
ротора. В конце переходного процесса колебания токов и момента 3aiy
хают, а частота ротора и электромагнитный момент плавно достигаю!
установившихся значений.

Переходные процессы во вращающихся электрических машинах он
ределяются электромагнитными процессами, связанными с созданием
полей в машине, и механическими процессами обусловленными измене
Гис. 3.61. Пуск асинхронного двигателя 4А100 S4Y3 при Мс = 0 и синусоидаль-
ном напряжении питания

Гис. 3.62. Изменение токов в статоре при пуске

пнем частоты вращения ротора. Длительность электромагнитных процес-
। он определяется электромагнитной постоянной времени Тзм. Электроме-
ханические процессы определяются в основном моментом инерции рото-
ра и характеризуются электромеханической постоянной времени Т„.

Переходные процессы в асинхронном двигателе можно разделить на
ipii стадии.

В первой, начальной стадии, продолжающейся несколько периодов,
>< пределах Гм из сети забирается в основном активная мощность, которая
цист на создание магнитного поля машины и разгон ротора — запасание
кинетической энергии во вращающихся частях и совершение механичс
ской работы. Эта стадия характеризуется большими пиками токов и мо
мента и значительными ускорениями ротора (рис. 3.61 и 3.62).

Во второй стадии, когда процессы, определяемые установились,
а разбег ротора еще продолжается, энергия, потребляемая из сети, расхо
дуется на увеличение кинетической энергии и совершение механической
работы. В этой стадии машина обменивается мощностью с сетью и coot
ношение между активной и реактивной мощностями все более стабили
зируется, подходя к значениям установившегося режима. Амплитуды п>
ков и момента затухают.

В конечной, третьей стадии переходного процесса, когда ротор дос-
тигает установившейся частоты вращения, броски токов и моментов
уменьшаются и машина входит в установившийся режим.

В асинхронных машинах традиционной конструкции Тзм на порядок
меньше Тм и в первом приближении можно рассматривать переходный
процессы без учета электромагнитных процессов.

На характер протекания переходных процессов при пуске основное
влияние оказывают момент инерции и активное сопротивление обмотки
ротора. Двигатели небольшой мощности с малым моментом инерции раз-
гоняются до установившейся скорости за несколько периодов, но ротор
может выйти за синхронную частоту вращения и после качания у син-
хронной скорости перейти в установившийся режим. Двигатели большой
мощности разгоняются медленно, и ротор подходит к установившейся
частоте вращения без перерегулирования.

Как показывают исследования, процессы при пуске определяются
начальными значениями параметров при s = 1. Характер нелинейного
изменения параметров в процессе разгона имеет второстепенное значение.

Из-за насыщения индуктивные параметры отличаются от их значе-
ний при установившихся режимах Индуктивности и взаимные индуктив-
ности при пуске на 30—40 % меньше их установившихся значений. Па-
раметры машины в начальный момент времени переходного процессе
называются переходными параметрами. Определить переходные пари
метры асинхронных машин можно с помощью ЭВМ, если известны ре-
зультаты переходного процесса при пуске. Расчет ные методики для опре-
деления переходных параметров асинхронных машин разработаны еще
недостаточно, так как переходными процессами в асинхронных машинм
глубоко начали заниматься с появлением ЭВМ.

При пуске асинхронных двигателей для увеличения пускового мо
мента необходимо увеличивать г2, а при номинальном режиме для увели-
чения КПД и cos<p надо г2' иметь меньше, чтобы sH0M было равно 1—4%,

Для тяжелых условий пуска в приводах от нескольких киловатт до
сотен киловатт применяются двигатели с фазным ротором. В этих двигп-
310
к* лях фазная обмотка выво-
дится на кольца,' к которым
при пуске подключается рези-
гор. По мере разгона двига-
1я сопротивление резистора
постепенно уменьшается, а
пнем резистор выводится и
кольца закорачиваются.

Пусковые резисторы вы-
полняют проволочными, ли-

Рис. 3.63. Пуск в ход двигателя с фазным
ротором

нями чугунными и жидкост-
ными. Резисторы помещают в
Ппк с трансформаторным мас-

пом и рассчитывают на кратковременный режим работы. Жидкостный
р< шпор представляет собой сосуд с электролитом, в который опущены
щ< ктроды. При изменении глубины погружения электродов изменяется

н-.тотивление резистора.

На рис. 3.63 показан процесс пуска двигателя с фазным ротором.
Дпигатель пускается с полностью введенным резистором и работает на
механической характеристике 1. При этом Мп ® А/Ш1Х. После того как

двигатель подойдет к скольжению j ® 0,5-е- 0,6, переключается резистор и
 орачивается часть его сопротивления. Двигатель переходит на харак-
1< ристику 2. Затем при s « 0,34-0,4 переключается вторая ступень и дви-
f nt ель начинает работать на характеристике 3. После того как будет зако-
рочена третья ступень при s ® 0,1+0,2, двигатель переходит на естест-
венную механическую характеристику 4.

После окончания пуска щетки закорачиваются, а пусковой резистор
|||шнодится в исходное положение. В некоторых старых конструкциях
гмилс закорачивания фазных обмоток щетки поднимались. В современ-
ных конструкциях щетки скользят по кольцам во всех режимах работы,
ho приводит к увеличению механических потерь, но повышает надеж-
|н>* гь двигателя за счет упрощения щеточного аппарата.

Двигатели с фазным ротором дороже двигателей с короткозамкнутой
пГниогкой и требуют дополнительной пускорегулирующей аппаратуры. В
к Рии 4А двигатели с фазным ротором выполняются на мощности от 5,5
Ди -100 кВт и частоты вращения от 500 до 1500 об/мин. В двигателях с
м и Отой оси вращения 160—200 мм применена всыпная обмотка, а в дви-
нн-нях с высотой оси вращения 225—355 мм — стержневая из медной
нронолоки прямоугольного сечения.

Электротехническая промышленность для тяжелых условий пуска
ншчовляет двигатели с короткозамкнутым ротором — это двигатели с
двойной беличьей клеткой и двигатели с глубоким пазом специальною
профиля (см. § 3.13). В этих двигателях из-за вытеснения тока ток И
стержнях обмотки ротора проходит при пуске по части обмотки, ряст.»
ложенной ближе к зазору, а при номинальном режиме распределяе м я
равномерно по всему сечению обмотки.

В двигателях с двойной беличьей клеткой пусковая клетка, нахолй
щаяся ближе к зазору, выполняется меньшего сечения, чем рабочая (см
рис. 3.50). Иногда пусковую клетку выполняют из латуни или бронзы, «
рабочую — из меди. Механическая характеристика двигателя с двойной
беличьей клеткой показана на рис. 3.59.

Рассчитывая асинхронный двигатель, необходимо стремиться к yur
личению пускового момента, оставляя кратность пускового тока не боля
к, = 5-4-7. Увеличение токов в переходных режимах приводит к увелич»
нию ударных моментов, а также к увеличению падения напряжения в (»
ти, что неблагоприятно сказывается на пусковых характеристиках, так Mik
момент пропорционален квадрату напряжения.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором пускам
обычно прямым включением на номинальное напряжение. Процесс пуски
определяется механическими характеристиками двигателя и нагрузки (см
рис. 3.53). Чтобы двигатель мог разгоняться до номинальной часинк
вращения, необходимо, чтобы М„ был больше Мс при s = 1 и механич».
ские характеристики двигателя и нагрузки пересекались в одной точи*
вблизи зн0м. Если из-за провалов в кривой М =fis) она может пересекатм i
с кривой Мс -fis) вблизи скольжений .s = 1, то двигатель «застрянш» и
этой точке и из-за больших потерь в роторе не сможет длительно рпби
тать в таком режиме. В этом случае необходимо выбрать двигатель бон»,
шей мощности.

Уравнение движения ротора двигателя

гЛо

(3.IH)
at

Процесс разгона двигателя продолжается до тех пор, пока элек*н
магнитный момент и момент сопротивления не окажутся равными по мн
дулю. Для определения времени пуска в первом приближении мож Н
проинтегрировать уравнение движения (3.114):

ир,ном

Для более точного определения t„ необходимо решить на ЭВМ урн*
нения напряжения и движения (3.3) и (3.4). При этом /п определяет |
vic гом электромагнитных переходных процессов. При определении t„ из
(1115) переходные процессы в обмотках двигателя не учитываются.

При небольших различиях Мэы и Мс процесс пуска затягивается, что
приводит к увеличению потерь в роторе, а это может вызвать недопусти-
мое увеличение температуры обмоток. В некоторых случаях для крупных
шп ателей ограничивается число включений двигателя в 1 ч.

При пуске крупных асинхронных двигателей для ограничения пуско-
-ич токов включается реактор или автотрансформатор. При особо труд-
ник условиях пуска двигателей в несколько десятков тысяч киловатт
применяют частотный пуск, когда с помощью преобразователя частоты
•и и гепенно повышается частота подводимого к статору напряжения. При
i n готном пуске одновременно регулируются частота и напряжение, под-

йндимые к двигателю, так, чтобы выполнялось условие — = const. При

i-iitoM регулировании поток в двигателе остается практически неизмен-
ным и броски тока не превышают двух-трехкратных значений по сравне-
нию с номинальным током. Однако частотный пуск имеет ограниченные
применения из-за больших габаритов и стоимости преобразователей, рас-
щипываемых на полную мощность двигателя, а работающих только при
hyewe.

Реакторный пуск осуществляется по схеме рис. 3.64, о. Пусковые ре-
юры имеют ферромагнитный магнитопровод. Их рассчитывают на
Цин овременный режим работы. Для двигателей большой мощности
шменяются бетонные реакторы.

11 Усковой ток при включенном реакторе (выключатель Q2 разомкнут)

+(хк +ХР)2

(3.116)

I* Цк>м — номинальное
•пряжение двигателя; Хр —
| мивное с чгротивле-
«*• реактора (активным
^iipin •злением реактора
нсбрегаем). За счет хр

•ii киной ток уменьшается

•> I 4-кратного значения.

1 Iponecc пусга при
1»Ц|1ч>‘нии реактора осу-
-i пи'чется следующим
I । him. При разомкну-

Рис. 3.64. Схемы пуска асинхронных двигателей
большой мощности
том выключателе Q2 двигатель выключателем Q1 подключается к сети
После достижения ротором номинальной частоты вращения выключат с
лем Q2 закорачивается реактор.

При автотрансформаторном пуске (рис. 3.64, б) сначала включают*
выключатели Q1 и Q2 и на двигатель через автотрансформатор подает
пониженное напряжение. После отключения Q2 автотрансформатор ип
которое время работает как реактор, а по достижении двигателем номи
нальной частоты вращения включается выключатель Q3 и двигатель под-
ключается к сети.

Переключением обмоток статора в конце пуска со звезды на тр»
угольник также можно обеспечить снижение пусковых токов. При таком
пуске линейные токи снижаются в 3 раза, а напряжения — в -Уз раз. II»
достатком этого способа пуска является размыкание цепи двигателя, чш
приводит к перенапряжениям. Этот способ пуска в настоящее время поч
ти не применяется.

Для пуска в ход асинхронных двигателей большой мощности инопи
применяется пуск с помощью разгонного двигателя, который жестко М
единен с валом основного двигателя. Если основной двигатель тихоход-
ный, то разгонный двигатель выбирается на частототу вращения на с«у
пень большую. При подходе к синхронной частоте вращения основшч п
двигателя разгонный двигатель отключается, а основной двигатель им
ключается к сети. Недостаток этого способа — наличие разгонного дви-
гателя, используемого только при пуске.

Одним из тяжелых переходных режимов является режим реверса, ки
гда при переключении порядка следования фаз на выводах машины при
исходит изменение направления вращения ротора. При реверсе двиган щ
сначала отключается от сети, а затем включается на напряжение обратно*
последовательности. Переходный процесс определяется временем ком
мутации и в сильной степени — скоростью затухания магнитного поля я
воздушном зазоре. Чем меньше время коммутации, тем больше ударим*
токи и моменты, тем тяжелее протекают переходные процессы.

При повторном включении асинхронного двигателя в сеть при luuiu
чии еще незатухшего поля в зазоре также наблюдаются большие ударим*
токи и моменты. Процесс повторного включения имеет место при кря!
ковременных перерывах питания, а также в тяговых асинхронных ДП1" •
телях при нарушении скользящего контакта в сети.

При перерыве питания на несколько секунд большинство асинхриш-
двигателей успевают остановиться. При восстановлении напряжения начясмN
самозапуск асинхронных двигателей. Процесс этот является трудным иди
двигателей, и для сети, так как требуются большая реактивная мощность де*
создания полей в двигателях и активная мощность для запуска двиган-1<4
При этом часть двигателей может не запуститься, а часть из-за затяжного и»
mi может перегреться. При длительном перерыве питания (в несколько секунд
или минут) необходимо двигатели отключать от сети и только ответственные
шектроприводы оставлять подключенными к сети.

Процессы при реверсе и повторном включении сложнее процессов
пуска. Оптимальные параметры при пуске, реверсе и других динамиче-
ких режимах отличаются друг от друга.

Все параметры в переходных процессах определяются путем реше-
ния системы уравнений электромеханического преобразования энергии.
Уменьшение или увеличение только одного из параметров не может при-
нести к оптимальным результатам. Существуют оптимальные соотноше-
ния между параметрами машины, когда интересующие исследователя
показатели имеют экстремумы.

Процессы преобразования энергии в переходных режимах значительно
»ложнее процессов в установившихся режимах, поэтому сложившиеся пред-
11 пиления об энергетических показателях установившихся режимов не мотут
Рыть перенесены на переходные процессы. Здесь имеет смысл говорить о
ц>сдних за время переходного процесса энергетических показателях. Понятия
пГ> активной, реактивной и полной мощностях теряют смысл, если рассматри-
вать их мгновенные значения. Представляется целесообразным рассматривать
р активную мощность как мощность, идущую на создание магнитных полей в
машине. При этом реактивная мощность преобразуется в активную, и наобо-
1«ч. Весь сложный процесс преобразования энергии в машине описывается
^лишениями электромеханического преобразования энергии со всей точно-
имо и многообразием, которые выбрал исследователь.

В первый момент подключения двигателя к сети мощность из сети
|<Ш1>ко забирается, а затем начинается обмен мощностями между маши-
ной и сетью; при отключении машины от сети реактивная мощность, за-
нм'снная в магнитных полях, преобразуется в тепло. Особенно сложные
процессы в динамике имеют место в несимметричных электрических ма-
шинах с учетом нелинейных коэффициентов и при несинусоидальном
ш < имметричном напряжении питания.

Возможности вычислительной техники в настоящее время позволяют
р шить практически все встречающиеся в практике задачи, связанные с
ж i целованием переходных процессов асинхронных машин. Подробно
пн процессы изучаются в спецкурсе [4].

3.15. Регулирование частоты вращения

Асинхронные двигатели наиболее просты в изготовлении и наиболее
- uiciibie, поэтому применение их в регулируемых электроприводах весь-
ма перспективно. Однако до сих пор не найдено дешевой и экономив mill
системы ретулирования частоты вращения асинхронных двигателей, xoim
известны десятки способов регулирования их частот вращения.

Если обратиться к формуле, связывающей угловую скорость ротора i
синхронной угловой скоростью и скольжением,

(3.11/)

Р ,

то из (3.117) следует, что есть всего три варианта регулирования скоро-
сти: путем изменения частоты сетичисла пар полюсов р и скольжения л.

Регулирование скорости путем переключения числа полюсов ступен
чатое. При жестких механических характеристиках двигателя, когди
скольжение изменяется в небольших пределах, регулирование скорое ih
экономичное. Следует иметь в виду, что ступени частоты вращения при час
тоте 50 Гц up = 1 и 2 соответственно 3000 и 1500 об/мин, а прир = 5 и 6 -
600 и 500 об/мин. При большем числе полюсов разница между синхрон
ными частотами вращения уменьшается.

Для изменения числа полюсов на статоре в одни и те же пазы можнн
уложить две отдельные обмотки с разными числами полюсов. В завис»
мости от необходимой частоты вращения включается одна или друь»
обмотка. При этом работают поочередно одна и другая обмотки, чц»
снижает использование материалов. Поэтому желательно иметь одну об
мотку и путем изменения схемы обмотки переключать число полюсов.

Двигатели с изменением числа пар полюсов называются многосм*

Рис. 3.65. Переключение числа
полюсов при различном соедине-
нии секций

ростными. Промышленностью выпус
каются двигатели на две, три и четыр!
скорости. Двухскоростные двигатели
изготовляются с одной обмоткой и
переключением полюсов р2.р\ = 2:1
Трехскоростные двигатели имеют дне
обмотки, причем одну — с переклю-
чением р2.р\ = 2:1. Четырехскоростнм
двигатели имеют две обмотки с нер»
ключением р2.р\ = 2:1. Много скорой,
ные двигатели выполняются с корп г
козамкнутым ротором, поэтому ncpd
ключение числа пар полюсов прошит
дится только на статоре.

Возможность переключения чиаи
пар полюсов путем изменения схемы об-
мотки иллюстрирует рис. 3.65. При • (I
единении секций обмотки, как показано
2р = 8

Сие. 3.66. Включение обмоток по схе-
ш шезды

Рис. 3.67. Включение обмоток по схе-
ме двойной звезды

ни рис. 3.65, а, получают четыре полюса, а по схеме рис. 3.65, б — два.
1пкие переключения производят в трех фазах, а переключаемые части
«•(моток могут соединяться параллельно или последовательно. При пере-
миочении числа полюсов полюсное деление изменяется в 2 раза, при
ном изменяется и электрический угол фазной зоны — с 60 на 120°. Что-
пм направление вращения поля при переключении числа полюсов остава-
нось неизменным, необходимо изменить порядок следования фаз путем
п< реключения обмоток. На рис. 3.66 дана схема включения обмоток ста-
и>ра по схеме звезды, а на рис. 3.67 показано переключение обмоток ста-
lopa на схему двойной звезды. При переключении по схеме рис. 3.67 со
шезды на двойную звезду частота вращения изменяется в 2 раза, а мо-

м in остается одним и тем же.

Схемы рис. 3.68 при переключении чисел полюсов 6JYY обеспечи

юг регулирование при постоян-

ш>й мощности, т.е. при увеличении
орости в 2 раза момент снижает-

। а в 2 раза.

При выборе числа полюсов в
1л 'ме с двумя обмотками необхо-
iMO обеспечить отсутствие наво-
лок напряжения в отключенной
обмотке. Для этого шаг одной об-
лики выполняют равным полови-
не шага второй обмотки, т.е. числа
П»люсов различаются в 2 раза.

При проектировании много-
оростных двигателей стремятся
i охранить высокие энергетические

Рис. 3.68. Переключение обмоток с
треугольника на двойную звезду
показатели на всех синхронных частотах вращения. Поэтому многоскоро- fl
стные двигатели получаются с несколько большим расходом активных
материалов на единицу мощности по сравнению с обычными асинхрон-
ными двигателями.

Несмотря на то что многоскоростные двигатели требуют сложной I
коммутационной аппаратуры и имеют несколько худшие энергетические
показатели, они достаточно широко применяются в промышленности дли
приводов станков, лифтов, вентиляторов и насосов, т.е. там, где допусти-
мо ступенчатое регулирование частоты вращения.

В серии 4А предусмотрен выпуск многоскоростных двигателей па
базе односкоростных с использованием сердечников статора и ротора
базовых машин на мощность 0,12- -50 кВт на две, три и четыре синхрон-
ные частоты вращения.

Наиболее простым способом, обеспечивающим плавное регулирова
ние частоты вращения асинхронных двигателей, является изменение
скольжения [(см. 3.117)]. Принципиальным недостатком этого способа
регулирования частоты вращения является низкий КПД, так как потери п
роторе пропорциональны скольжению. И какие бы ни предлагались вари-
анты схем изменения скольжения, а их существуют десятки, в электром
ханическом преобразователе энергии преобразование в тепло и в механ» I
ческую мощность имеет равные возможности. В асинхронных двигателя»
это проявляется особенно наглядно (Рэ2 = Рэиу). Эта связь не зависит or
способа изменения скольжения, когда в процессе регулирования участву* 1
ет одна машина.

Изменять скольжение асинхронного двигателя можно многими спо
собами. Наиболее распространенные — это изменение напряжения, вв»
дение сопротивления в цепь ротора, искажение симметрии подводимых
напряжений и введение ЭДС в цепь ротора.

При изменении напряжения, подводимого к статору машины, мехи*»
нические характеристики изменяются так, как показано на рис. 3.69. При
изменении напряжения максимальный

момент изменяется пропорции
нально квадрату напряжения, 
критическое скольжение ости
ется неизменным. При умет
шении U\ изменяется to’hir
устойчивой работы системы
двигатель—нагрузка и измен*
ется скольжение от s} до м
Как следует из рис. 3.69, П|*
делы регулирования зависят (и
вида механических характсри
стик двигателя и нагрузки.

Рис. 3.69. Регулирование частоты вращения
путем изменения напряжения
Чтобы расширить пре-
делы регулирования —
отношение максимальной
частоты вращения к мини-
мальной ( иШ1Х : «min ), надо
иметь мягкую механиче-
 кую характеристику дви-
гателя, когда критическое
гкольжение двигателя на-
ходится в пределах 1-тЗ.
Двигатели с большим
критическим скольжени-
ем работающие в системах

Рис. 3.70. Двигатель с полым ротором:

1 — статор; 2 — внутренний статор; 3 — обмотка ста-
тора; 4 — полый ротор; 5 — подшипниковый щит,
б — подшипниковый щит с втулкой для внутреннего
статора; 7 — вал; 8—корпус; 9—крышка подшипника

ииоматического управ-
ления, называются испол-
III1  ельными. К ним отно-
 И1ся асинхронные двига-
нии с массивным рото-

|и>м и двигатели с полым ротором (рис. 3.70).

В исполнительных асинхронных двигателях важно иметь большое
быстродействие и большую кратность пускового и максимального мо-
ментов. В двигателе с полым ротором ротор выполняется в виде тонко-
цспного стакана из алюминия. Ротор имеет небольшой момент инерции.
Милый момент инерции, большое критическое сопротивление обеспечи-
ваю. большое быстродействие и линейность механических характеристик
в широком диапазоне изменения частоты вращения. Двигатели с полым
|юк>ром широко используются в системах автоматического управления и
выпускаются промышленностью до мощности 30 Вт. Недостатком двига-
телей с полым ротором является наличие большого воздушного зазора,
включающего в себя два механических зазора и толщину немагнитного
|ич<>ра. Большой воздушный зазор снижает cos<p, а это приводит и к

I пнжению КПД.

( Основной проблемой при создании силовых исполнительных двига-
( лей на мощности в сотни ватт и выше является отвод тепла. При ис-
йп-ыовании исполнительного двигателя как моментного, работающего
аншелыю при 5®1, практически, вся мощность преобразуется в тепло.

отвода тепла приходится увеличивать габариты двигателя, чтобы

»Ш11пгь электромагнитные нагрузки и увеличить поверхность охлажде-
нии 11рименяются также вентиляторы — наездники, встраиваемые в дви-
системы всцяного и испарительного охлаждения. В исполнитель-
м двигателе с вентилятором-наездником вентилятор вращается специ-
Рис. 3.71. Регулирование частоты вращения
асинхронного двигателя путем изменения
активного сопротивления ротора

альным асинхронным двигато
лем, частота вращения которою
не зависит от частоты вращения
исполнительного двигателя.

Изменять частоту вращения
асинхронного двигателя можно,
вводя активное сопротивление 
цепь ротора (рис. 3.71). В двиги
теле с фазным ротором регули
ровочный резистор подключай-
ся к кольцам, и при изменении
активного сопротивления речи
стара двигатель плавно или сту

пенями, в зависимости от конструкции резистора, переходит с одной механн
ческой характеристики на другую.

Преимущество регулирования частоты вращения путем изменения
активного сопротивления ротора в том, что максимальный момент ости
ется неизменным, так как не изменяется напряжение, подводимое к дви
гателю. Включение резистора в обмотку ротора приводит к тому, что час
тично потери в роторе выделяются в резисторе. При этом отношение по-
терь, выделяемых в роторе и в резисторе, пропорционально отношению
активных сопротивлений обмотки ротора и резистора. Выведение потерь
из машины дает возможность уменьшить габариты машины.

При регулировании частоты вращения асинхронных исполнительных
двигателей находит применение комбинированный способ регулировв
ния, когда изменяются подводимое к двигателю напряжение и активно»
сопротивление ротора.

При изменении частоты вращения изменяется частота в ротор»
/г = fis  За счет вытеснения тока при изменении f2 можно получит
необходимый закон изменения г2. Для этого на стальной ферромагнитш

диск укладывается трехфазная обмотка, соединенная с фазной обмотк<
ротора. При увеличении частоты^ растет активное сопротивление корю
козамкнутой обмотки, выполненной в виде диска, и частота вращения из
няется за счет напряжения и активного сопротивления обмотки ротора.

Преимущество такого исполнительного двигателя — отсутс

скользящих контактов и лучшие условия охлаждения вращающегося ди
ка. Такой двигатель имеет и ряд крупных недостатков: большой момен-

инерции, технологические трудности в йамотке обмотки на диски и тя
лые тепловые режимы работы обмотки, намотанной на стальной диск,
котором в основном выделяются потери скольжения. Изменение активно!
сопротивления стального диска с обмоткой, в которой протекают трехфазиы


। оки, используется и в пусковых рези-
i горах для пуска асинхронных двига-
icneft с фазным ротором.

Регулирование напряжения на
пыводах двигателя осуществляется
путем включения реакторов насыще-
ния, магнитных усилителей, авто-
рансформаторов и тиристорных пре-
<>(>! азователей напряжения. Послед-
ние в настоящее время получили на-
ши >льшее распространение.

Тиристорные преобразователи
пппряжения включают последова-
tcibHO в обмотку статора двигателя
цшс. 3.72). Через преобразователь

Рис. 3.72. Схема регулирования час-
тоты вращения с тиристорным регу-
лятором напряжения

проходит вся мощность двигателя, и габариты преобразователя несмотря
ни применение тиристоров в 1,5—2,5 раза больше габаритов двигателя.

Магнитные усилители в качестве регуляторов применяют реже, так
пик они имеют достаточно большие габариты. На рис. 3.73 показана ре-

версивная схема с применением магнитных усилителей. Асинхронный
in иолнительный двигатель включен в плечи моста. При насыщении маг-
пн 1 иых усилителей МУ1 и МУЗ асинхронный двигатель вращается в одну
трону, а при насыщении магнитных усилителей МУ2, МУ4 — в другую,
шк как при этом изменяется фаза напряжения на обмотках двигателя.

Проблема регулирования частоты вращения асинхронных двигателей

fin 3.73. Реверсивная схема
|h i уяирования частоты враще-
нк1 «синхронных двигателей:
4VI МУ4 — магнитные усили-
► пн

оригинально решена в двигателях-усилите-
лях, в которых магнитные усилители вы-
полнены на спинке статора с намоткой об-
моток магнитного усилителя в те же пазы,
что и двигателя.

Мощность скольжения Рэм$ может
быть использован • или частично возвраще-
на в сеть, если использовать дополнительно
другие электрические машины или статиче-
ские преобразователи частоты. Такие схе-
мы регулирования называются каскадными.

На рис. 3.74 представлена схема элек-
тромеханического каскада. В асинхронном
двигателе с фазным ротором АД, в обмотку
ротора включен выпрямитель и мощность
скольжения после преобразователя посту-
пает на якорь двигателя постоянного тока
t/l

Рис. 3.74. Электромеханический
каскад

ДПТ. Якорь двигателя постоянного тока жестко соединен с валом асин
хронного двигателя, и к моменту, развиваемому асинхронным двшщ»
лем, Л/дд добавляется момент двигателя постоянного тока Л/дпт- Такны
образом, мощность скольжения в каскаде используется для создания до

полнительного момента.

В электрическом каскаде (рис. 3.75) мощность скольжения асин
хронного двигателя АД после преобразователя снова подается на двш а
тель постоянного тока ДПТ, на валу которого находится синхронный >•>
нератор СГ. Синхронный генератор отдает электрическую энергию I
сеть. В этой схеме мощность скольжения отдается в сеть.

Недостатком обеих схем является наличие машины постоянного jro««
и силовых выпрямителей. Габариты выпрямителей и двигателя посипи

ного тока зависят от пределов регулирования.

Рассмотренные каскадные схемы с машиной постоянного тока нс »я
ляются единственными. В каскадах применяются коллекторные двш аг»

ли переменного тока, одноякорные преобразователи и другие машины

Более подробно каскадные схемы анализируются в гл. 7.

Интересной схемой (•-
гулирования частоты нра
щения асинхронного днша
теля является двигатель «
поворотным статором (pm
3.76). Этот двигатель имегг
общий ротор и два статор*,
один из которых можи
поворачиваться относите* >
но другого. Когда электри
ческие оси двух статора*
i с зпадают, в обмотке ротора наводятся ЭДС, действующие согласно, и
мощность, развиваемая агрегатом, равна удвоенной мощности одной ма-
шины.

Короткозамкнутый ротор двигателя имеет среднее короткозамы-
ниощее кольцо с большим сопротивлением 1 и два крайних кольца с не-
' олыпим активным сопротивлением 2. При повороте одного статора от-
носительно другого смещаются потоки и ЭДС в обмотке статора. Токи
р< гора начинают замыкаться по кольцу 1 с повышенным активным со-
противлением. Путем изменения угла между статорами достигается регу-
лирование частоты вращения. При этом механические характеристики
получаются близкими к характеристикам, получаемым при изменении
пппряжения и активного сопротивления ротора. Этот двигатель предло-
жен Бушеро в 1899 г.

Видоизменением двигателя Бушеро является машина, в которой по-
порот оси поля одной машины относительно другой осуществляется пу-
км переключения секций обмоток каждой фазы. Поворот оси поля одной
нт обмоток можно осуществить также при помощи индукционного регу-
II и гора.

Рассмотренные схемы регулирования частоты вращения путем изме-
нения скольжения далеко не исчерпывают имеющихся предложений.

Наиболее перспективным способом регулирования частоты враще-
ния асинхронных двигателей является частотный, Изменение частоты,
приводимой к двигателю, осуществляется преобразователем частоты ПЧ
< рис. 3.77). При частотном регулировании изменяется синхронная частота
н|Ш1цения, а двигатель рабстзет с неболышим скольжением. Регулирова-
ние экономичное, однако через преобразователь частоты проходит вся
мощность, и габариты преобразователя частоты превышают габариты
ппнгателя. При преобразовании частоты и напряжения сети преобразова-
1ппь частоты изменяет напряжение и частоту на выходе пэ закону

const, что обеспечивает работу асинхронного двлгате.1я при посто-

пппом магнитном потоке.

Регулировать частоту можно и в статоре, и в роторе. В двигателях
Аппыпой мощности удобнее регулировать частоту в роторе, т«к как лри
|н1к>|1ьших пределах регулирования частот ы вращения мощность сколь-

• «чтя Рэмж значительно
wui.ine мощности об-
мшки статора. Поэтому
преобразователь часто-

(/,= const

= const

U = var
f =var

Рис. 3.77. Схема '.ас1отного регулирования частоты
вращения асинхронных двигателей

n имеет меньшие га-
Апригы. В этом случае
мощность в воздушный зазор поступает со стороны статора и ротора.
Такие машины получили название асинхронных двигателей двойного
питания, а способ регулирования частоты вращения называют введением
ЭДС в цепь ротора. Этот способ занимает среднее положение между час-
тотным способом и способом изменения скольжения.

Несмотря на применение тиристоров, частотный привод все еще но
занял доминирующего положения в регулируемых приводах с асинхрон-
ными двигателями. В последнее время в связи с появлением силовых
транзисторов при параллельном их соединении появилась возможность
создать дешевый малогабаритный преобразователь частоты на мощность I
в несколько киловатт. Следует иметь в виду, что введение в энергосисте-
му большого количества нелинейных элементов приводит к появлению
высших гармоник в сети и искажению синусоидальности напряжений.
Ухудшение качества электроэнергии приводит к потерям в энергосисте-1
ме. Затраты на повышение качества электроэнергии следует относить X
стоимости силовых электроприводов с нелинейными элементами.

" 3.16. Работа асинхронного двигателя при
несинусоидальном несимметричном напряжении
питания

Форма напряжения в энергосистеме почти не отличается от синусов
ды. Но в отдельных районах из-за наличия большого числа выпрямитель»
ных установок и других нелинейных нагрузок напряжение сети содержи»
высшие гармоники. В автономных электромеханических системах при
питании асинхронных двигателей от статических преобразователей чм
тоты или тиристорных преобразователей напряжения выходное напряж-
ние сильно отличается от синусоиды и содержит значительное чис т
высших гармоник с достаточно большими амплитудами. Поэтому иссл*
дование процессов преобразования энергии в асинхронных машинах при
несинусоидальном напряжении питания имеет важное значение. Урат»
ния, описывающие процессы преобразования энергаи при синусоидаль
ном напряжении, являются частным случаем уравнений, описывают»-
процессы при несинусоидальном напряжении.

Рассматривая идеальную асинхронную машину, можно считать, fliv
при несинусоидальном напряжении на ее выводах в воздушном зачо|-
будут только временные гармоники, происхождение которых связаны»
несинусоидальностью питающего напряжения. В идеальной двухфазны*
машине форма поля в воздушном зазоре повторяет форму фазного
пряжения. Зная форму напряжения, можно разложить кривую напря,-
ния в гармонический ряд и определить амплитуды и фазы высших гармо-
ник поля в воздушном зазоре.

При прямоугольном напряжении питания высшие гармоники имеют
максимальные амплитуды. Третья гармоника имеет амплитуду, равную
1/3 1-й, 5-я — 1/5, а v-я — 1/v. Четные гармоники появляются в воздуш-
ном зазоре при наличии постоянной составляющей в фазных напряжени-
ях. По мере отклонения напряжений от прямоугольной формы амплитуды
высших гармоник уменьшаются, а при синусоидальном напряжении в
ноздушном зазоре остается одна гармоника.

Зная форму поля в воздушном зазоре и обращаясь к модели обоб-
щенного электромеханического преобразователя, можно составить урав-
нения асинхронной машины при несинусоидальном напряжении питания.

Каждая гармоника в воздушном зазоре в математической модели
кидается парой обмоток на статоре или роторе, если к обмоткам подвес-
III напряжения соответствующих частоты и амплитуды. Имея т пар об-
моток на статоре и роторе и подводя к ним синусоидальные напряжения
юответствующих амплитуд и частот, можно сформировать несинусои-
цильное поле в воздушном зазоре [4].

Временные гармоники отличаются от пространственных своим про-
исхождением, что сказывается на форме записи уравнений. Подход к со-
Г1 пилению уравнений общий, рассмотренный в § 3.11.

Для каждой гармоники записывают уравнения типа (1.100)—(1.105)
и (оставляют систему уравнений

U = zl,	(3.118)

। де U — матрица-столбец напряжений; I — матрица-столбец токов; z —

мн грица сопротивлений.	,

Так как несинусоидальные токи протекают по обмотке, по которой
him икается и 1-я гармоника, без учета вытеснения токов высших гармо-
ник в идеальной машине активные сопротивления, индуктивности и вза-	]

пмные индуктивности для высших гармоник будут теми же, что и для ос-
новной гармоники, а индуктивные сопротивления ю£, аМ и ю£а будут
определяться частотой гармоники.

В ненасыщенной машине гармоники не связаны друг с другом, по-
лому при определении момента при несинусоидальном напряжении пи-
IЙШ1Я можно пользоваться моделью рис. 3.78 или 3.79.

Подход к записи уравнений момента при несинусоидальном напря-
жении питания такой же, что был рассмотрен в § 3.11.

Считая, что взаимные индуктивности М между обмотками статора и
poiopa для высших гармоник одинаковы, получаем

Мэм = ^K’lp + ’1р + ~ + гтР )01а + »2а + - + О “

~ (’Га + ’Га + - + ’^х Х’Тр + ’гр + — + ’тр )] •	(3.119)
Рис. 3.78. Модель асинхронного двигателя при
питании несимметричным несинусоидальным
напряжением

Из (3.119) следует
что электромагнитный мо
мент при несинусоидал:
ном напряжении питатп
есть произведение несшг
социальных токов стато)
и ротора. При синуса
дальнем питании (3.1 Г»)

вырождается в известную
формулу для момента (3.4)

Для определения мо-
мента в модели, показан-

ной на рис. 3.78, участвуют произведения токов гармоник одного поряди

17р'!а ~ 'fa’ip  Исследуя модель с общим ротором (рис. 3.79), что ближе
действительности, следует в уравнение момента включить произведет
токов разных гармоник	

Произведения токов разных гармоник создают пульсирующие м<
менты, которые следует учитывать в переходных процессах. В устам)

вившихся режимах пульсирующие моменты не влияют на электромагнит
ный момент. '

Уравнения асинхронной машины при несинусоидальном напряжении
питания решаются на цифровой ЭВМ. С помощью аналоговых ЭВМ там

же можно исследовать асинхронные машины при несинусоидальном ни
пряжении питания [4].

При несимметричном несинусоидальном напряжении питания, когди
формы напряжений на фазах обмотки отличаются друг от друга, каждм
гармоника имеет прямую и обратную составляющие. Это увеличивю-i
число гармоник в воздушном зазоре, но это не изменяет принципиально!у
подхода к составлению уравнений.

При исследовании
переходных и установив-
шихся процессов обычно
учитывают три-четыре
высшие гармоники. При
этом при решении урав-
нений с раздельной их
записью по каждой гар-
монике решают уравне-
ния 13-го и 17-го порядка
[4]. Как показывают ис-

Рис. 3.79. Модели машины с общим ротором, уч.

тывающие пульсирующие моменты

следования, высшие вре-
менные гармоники снижают КПД на 10—15%, увеличивают время разгона и
нызывают дополнительные вибрации. При расчете асинхронных двигателей,
предназначенных для работы при несинусоидальном напряжении, следует на
20—30% снижать электромагнитные нагрузки.

Напряжения с различными частотами не создают в воздушном зазоре
иращающихся магнитных полей, как это имеет место при питании обмо-
ток, сдвинутых в пространстве, напряжениями с одной частотой. При пи-
тании обмоток двухфазной машины (см. рис. 3.51) синусоидальными на-
пряжениями с различной частотой в воздушном зазоре создаются каждой
обмоткой два пульсирующих поля. Поэтому в двухфазной машине при
питании обмоток синусоидальными напряжениями, имеющими разную
частоту, в зазоре будут четыре гармоники МДС: две прямые и две обрат-
ные, впящающиеся с различными частотами.

Большинство асинхронных двигателей работают при синусоидаль-
ном или несинусоидальном непрерывно изменяющемся напряжении пи-
шния. Непрерывное синусоидальное и несинусоидальнее напряжения
можно представить состоящими из бесконечного числа изменяющихся по
амплитуде импульсов. Эти импульсы можно растянуть во времени и
прийти к импульсным электромеханическим системам при определенном
сочетании импульсов и некоторых конструктивных изменениях можно по-
лучить импульсные двигатели и генераторы. По своей конструкции им-
пульсные двигатели и генераторы ближе к синхронным машинам и рас-
сориваются в гл. 4. Для анализа процессов преобразования энергии в та-
ких машинах применяются те же уравнения и те же подходы к их составле-
нию, что и при несинусоидальном несимметричном напряжении питания.

3.17.	Анормальные режимы работы
асинхронных машин

Номинальные данные электрических машин, указанные на щитке и
||цпюрте машины, — мощность, напряжение, частота сети, ток, частота
и|шп,ения, coscp, КПД и другие, характеризующие машину, относятся к
|1я(>оте машины на высоте до 1000 м над уровнем моря и при температуре
(пюобразной охлаждающей среды до 40 °C и охлаждающей воды до
Ю "С. Нижний предел температуры охлаждающей среды указывается в
к1М11дартных или технических условиях на отдельные виды машин. Ниж-
ний предел температуры определяется в основном условиями работы
ямп 1ки подшипников. Асинхронные двигатели серии 4 А предназначены
или работы при температуре окружающего воздуха от —40 до +40 °C.
(h пчсительная влажность воздуха до 98 % при температуре 25 °C.
При работе машины в условиях, отличающихся от указанных выше,
номинальные данные изменяются. При температуре воздуха свыше 40 °C
предельные допустимые превышения температуры уменьшаются для всех
классов изоляционных материалов. При использовании асинхронных
двигателей при температуре выше 40 °C должна быть снижена номиналь-
ная мощность двигателя. Если машина используется на высоте, большей
1000 м над уровнем моря, ухудшаются условия охлаждения, так как при
уменьшении плотности воздуха уменьшается масса воздуха, участвующего 11
охлаждении машины. При этом также снижается номинальная мощность.

Номинальные данные асинхронных двигателей соответствуют номи-
нальному напряжению и частоте сети. Допускается работа двигателей при
отклонении напряжения сети в пределах от -5 до +10% и частоты пере-
менного тока на ±2,5% номинального значения. При одновременном от-
клонении напряжения и частоты сети от номинальных значений двигате-
ли должны сохранять номинальную мощность, если сумма абсолютных
процентных значений этих отклонений не превосходит 10% и каждое из
отклонений не превышает нормы.

При отклонении напряжения или частоты сети от номинальных зна-
чений происходит изменение магнитного потока двигателя, которое мож-
но определить из формулы

С/ = 4,44Фт/|И)Лоб1-	(3-120)

Изменение потока двигателя приводит к изменению момента:

Л/ = *Ф„,/2созу2.	(3.121)

Если момент на валу остается неизменным, то при уменьшении Ф„
растет ток в статоре и роторе машины. Изменение потока приводит такжя
к изменению тока холостого хода. Так как при номинальных значениях,
напряжения и частоты сети магнитная система асинхронных двигателей
насыщена, небольшие изменения напряжения и частоты приводят к за»
метным изменениям тока холостого хода.

Влияние U и /1 на характеристики можно оценить по (3.120) и
(3.121). Как увеличение, так и уменьшение С/ и/) по отношению к номи
нальным значениям отрицательно сказывается на характеристиках машины,

Коэффициент полезного действия и coscp асинхронных двигателей име-
ет максимум при 0,6—0,8 номинальной мощности. Если двигатель эксплуи»
тируется с недогрузкой при 0,2—0,4 номинальной мощности, целесообразиф!
понизить напряжение. При этом уменьшается намагничивающий ток и увели
чивается costp. Улучшение cos«p приводит к увеличению КПД. Иногда не
лесообразно переключить обмотки двигателя с треугольника на звезду. Так
переключение приводит к уменьшению фазного напряжения в раз, чш
вызывает уменьшение потока также в 7з раз.
Чтобы момент на валу двигателя остался прежним, надо ток увели-
11! гь в -Уз раз. Относительное увеличение переменных потерь (потерь в
меди) и уменьшение постоянных потерь (потерь в стали) смещает макси-
мум КПД для недогруженного двигателя в область нагрузок, при которых
длительно эксплуатируется двигатель.

Переключение обмоток не всегда возможно и целесообразно. Поэто-
му использование двигателей завышенной мощности приводит к неоп-
равданным потерям электроэнергии. Электрические машины должны
эксплуатироваться при нагрузках, близких к указанным в паспорте машины.

При эксплуатации асинхронных машин может оказаться, что система
|. ‘х*Ьазных напряжений, приложенных к статору машины, несимметрич-
ен т.е. фазные напряжения отличаются друг от друга, а углы между на-
пряжениями не равны 120°. Искажение симметрии напряжений связано с
ри шинными нагрузками в фазах и аварийными ситуациями.

Несимметричную систему трехфазных напряжений можно разложить
ни симметричные системы напряжений прямой и обратной последова-
н-льности и систему нулевой последовательности. Токи нулевой последо-
пя.ельности при соединении в звезду не создают вращающегося поля в
hoi душном зазоре. При соединении в треугольник пульсирующее поле от
юков нулевой последовательности в первом приближении может не учи-
ни г аться из-за небольшой амплитуды и отличающейся в 3 раза от прямой
а обратной гармоник МДС синхронной частотой вращения.

Напряжения прямой последовательности С7ц создают токи прямой
Последовательности статора 7ц. Эти токи создают в воздушном зазоре
поле прямой последовательности. Напряжения обратной последователь-
ности [/12 создают токи /)2 и поле обратной последовательности.

Для анализа процессов преобразования энергии в машине при нали-
чии двух полей справедливы модели рис. 3.80, а и б. Рассматривая дейст-
ш!с прямой и обратной последовательностей отдельно (схема рис. 3.80,
о), можно считать, что результирующий момент

Mt = Mx-M2,	(3.122)

|ДС Мх = znl(/l'l )2 —
«1
момент прямой по-
| недовательности;

Л/2=щ,(/'2)2^-	-

S2
момент обратной по-
i педовательности.

“и- Л «„-Л	“„-Л	“12-Л

Рис. 3.80. Модель для определения момента без уче-
та (а) и с учетом (б) пульсирующих моментов
r, Xj	х2'

Рис. 3.81. Схема замещения для обрат-
ной последовательности

Ротор по отношению к долю
прямой последовательности имеег
скольжение

(3.123)
«1

Скольжение ротора по отношению к
полю обратной последовательности

S2=H1±^. (3.121)

Подставляя в (3.124) частоту вращения ротора, выраженную че{
скольжение прямой последовательности, из (3.123)

и2 =(!-.$>,;

з2 = 2 — S,.

получаем

(3.12S.

(3.126)

В выражении моментов прямой и обратной последовательное гсА
входят токи ротора прямой /п и обратной /2г последовательностей.

Для системы напряжений и токов обратной последовательное!и
справедлива схема замещения, аналогичная схеме замещения прямой ио*
следовательности (рис. 3.81). В этой схеме /|2 и /22 — токи обратн«п
последовательности в статоре и роторе. Без учета вытеснения тока ди,
прямой и обратной последовательностей параметры схемы замещеш*

приняты одинаковыми.

Результирующий электромагнитный момент Мзи от токов прямой А'
и обратной М2 последовательностей показан на рис. 3.82. Момент от <>0
ратной последовательности направлен в сторону, противоположную мс
менту прямой последовательности. Обычно искажение симметрии ш1
большое, и момент обратной последовательности меньше момента пре
мой последовательности. Максимум мо-
мента обратной последовательности
находится вблизи скольжения s = 2.

Искажение симметрии питающих
напряжений изменяет кривую момента
двигателя При этом уменьшается
максимальный и пусковой моменты, что
отрицательно сказывается на характери-
стиках машины, так как номинальный
момент имеет место при больших сколь-
жениях, а следовательно, при больших
токах.

Рис. 3.82. Момент асинхроншив
двигателя при несимметрии «•
пряжений
В переходных процессах следует спреде^ ггь момент по схеме рис.
' КО, б и учитывать произведения токов разных последовательностей z]2, z22
и /21,1'11, и тогда в результирующем моменте будут четыре составляющие

Мт=М1-М2+М12-М21.	(3.127)

При исследовании переходных процессов следует моделировать сис-
кму уравнений из восьми уравнений напряжений и уравнению момента
В. 127).

При изготовлении машины или эксплуатации может возникнуть не-
। имметрия сопротивлений фаз ротора. В двигателях с короткозамкнутым
ри юром это связано с заливкой ротора, когда алюминий неравномерно
шпилняет пазы, а в машинах с фазным ритором с неисправностью ще-
NWiorl узла. Вследствие различия сопротивлений фаз ротора токи в фа-
х ротора отличаются друг от друга. Несимметричную систему токов
ритора можно разложить на две симметричные системы токов ротора
примой и обратной последовательностей. Токи ротора прямой последова-
1ГИЫЮСТИ создают поле неподвижное относительно поля прямой после-
IIHI.I гельности статора. В результате взаимодействия токов статора и то-
KHI прямой последовательности ротора создается результирующее поле и
пимент М\.

Токи обратной последовательности ротора создают поле, вращаю-
№ еся с частотой и2р = snt относительно ротора в направлении, обратном
,<Ц|Цению ротора. Частота вращения поля ротора обратной последова-
ццыгости относительно статора

И21 ~ п2 ~ И2Р = 0 ~ s)”i_ sni = (1 ~ 2s)«].	(3.128)

Это поле наводит в статоре токи /12 с частотой

А =(1-24/;.	(3-129)

Гоки /|2 замыкаются через сеть и создают в зазоре машины поле, не-
►цпижное относительно токов обратной последовательности ротора.
Г» iyцитирующий момент равен сумме моментов от токов прямой и об-
। ной последовательностей статора и ротора Л/эм = Мх - М2.

Гак как поле обратной последовательности вращается в сторону,
^инивоположную вращению ротора, частота Д; близка к частоте сети и
| и поминальном скольжении равна 48—49 Гц. Наложение двух близких
Мио вызывает биения — низкочастотные качания токов статора и ха-
Пн ирный шум двигателя.

11ри скольжении s = 0,5 обратное поле от токов ротора неподвижно
!•»-игельно статора (3.128). В этом случае в обмотках статора не наво-
••U и гоки от обратного поля ротора и М2 = 0. В кривой момента при s =
[• I11 появляется «провал» (рис. 3.83), ротор может «застрять» в этом по-
ложении; чтобы вывести ротор из это! о
положения, необходимо затратить энор
гию. Это явление было описано Г. Гер
гёсом в 1896 г. и называется эффектом
Гергёса или эффектом одноосного вкли*
чения. Максимально этот эффект прочь
ляется при обрыве одной фазы роторй
При этом асинхронный двигатель, ка*
правило, не достигает номинальной чш
тоты вращения даже при пуске без ни

Рис. 3.83. Момент при обрыве П’У®11-

фазы обмотки ротора	ПРИ исследовании несимметричным

режимов асинхронных двигателей pin
личают работу симметричного двигателя при несимметричном напряло
нии питания и работу несимметричного двигателя при симметричном
напряжении питания (обычно двигатель несимметричен по статору или
ротору). Хотя несимметричные режимы отличаются друг от друга, мап
магическое описание процессов преобразования энергии в обоих случим ч
близки друг к другу. Наиболее общим и более сложным является исслс
дование несимметричного асинхронного двигателя при несимметричном
напряжении питания [4].

3.18.	Генераторный, тормозной и
трансформаторный режимы работы
асинхронной машины

Асинхронные машины в основном используются в качестве двиган
лей. В генераторном режиме они применяются редко. Основная причшн
этого в том, что асинхронная машина не является источником реактивной
мощности. Для создания магнитного поля в асинхронной машине репм»
тивная мощность поступает из сети или от конденсаторов.

Чтобы асинхронный двигатель перевести в генераторный режим, ь
обходимо изменить знак момента, приложенного к валу машины (рвы
3.84). В генераторном режиме асинхронная машина подключается к сети
из которой она потребляет реактивную мощность для создания магнитив^
го поля, а ротор вращается приводным двигателем в сторону вращеши
магнитного поля с частотой, превышающей синхронную частоту вращ»
ния поля. Как и в двигательном режиме, номинальное скольжение в гсиш'
раторном режиме находится в пределах нескольких процентов, так i t»
при больших скольжениях растут электрические потери и снижается КПД. |
На круговой диаграм-
<г генераторный режим
ини.мает часть окружности
и точки А до D, где сколь-
жение изменяется от 0 до
•и. При переходе из дви-
i тельного в генераторный
1>ежим сначала двигатель
1-|Нгружается и асинхрон-
ная машина начинает рабо-
|«п> в режиме холостого
«пда (точка В). При этом из
н ги забирается активная

Рис. 3.84. Генераторный и тормозной режимы
на круговой диаграмме

мощность, необходимая для покрытия потерь холостого хода. Чтобы по-

в»йти к точке идеального холостого хода А, надо вращать ротор двигате-

ш приводным устройством. В этом режиме механические потери покры-
•тогся за счет механической мощности, поступающей с вала двигателя, а
। новая скорость ротора сор равна синхронной угловой скорости поля <вс.

При дальнейшем увеличении скорости (до точки £) активная мощ-

тить, поступающая с вала двигателя, расходуется на покрытие потерь в
шли и электрических потерь в обмотках ротора и статора. Только пе-
Р йдя точку Е, асинхронный генератор отдает электрическую мощность в
 п> (ток /г на круговой диаграмме). Начиная с режима идеального холо-
• шю хода, ротор опережает магнитное поле и сор > <ос. На круговой диа-
ipiiMMe все построения и характерные точки и линии, а также определе-
ния скольжения, cos<p и моментов остаются такими же, как и для других

г« жимов работы асинхронной машины.

В генераторном режиме активная мощность отдается в сеть и актив-
ный ток на круговой диаграмме при переходе через линию подведенной
•щщюсти изменяет свой знак. При этом реактивная мощность направле-
ния ие изменяет: она во всех режимах работы асинхронной машины по-
купает из сети. Можно считать, что ток холостого хода То остается, прак-
шчески, неизменным во всех режимах работы.

Уравнения установившегося режима асинхронного генератора ничем
•• отличаются от уравнений двигателя, только ток 1'2 располагается во
тиром квадранте и векторная диаграмма принимает вид, показанный на
1»п 3.17, в.

Как следует из векторной диаграммы, в генераторном режиме
Г, < Е,, векторы токов /, и 1'2 имеют почти противоположное направ-

ите по отношению к режиму двигателя, а <р, > 90°. При этом
Рис. 3.85. Автономная энергетиче-
ская система с асинхронным гене-
ратором

генераторе мощность на валу Р2

Рх = mxUxIx coscp, < 0,
что свидетельствует о том, что меха-
ническая мощность в ас м'уронноь
генераторе преобразуется в электриче-
скую и отдается в сеть.

Для асинхронного генератора
справедливы такие же схемы замеще-
ния, что и для асинхронного двигате-
ля. Отличие состоит лишь в том, что и
Рь Параметры схемы замещения и по-

тери определяются так же, как и в режиме двигателя.

Конструктивно асинхронные генераторы не отличаются от двигателей
Как и асинхронные двигатели, асинхронные генераторы могут изготов
ляться не мощности в десятки тысяч киловатт. Но на тепловых и 1 идравли
ческих станциях асинхронные генераторы не нашли большого применен»
из-за того, что для их работы необходим источник реактивной мощности.

Конструкция ротора асинхронного генератора проще синхронно!
Ротор асинхронного генератора может быть выполнен в виде массивною
стального ци~индр? без обмоток. Поэтому асинхронные генераторы мо
тут выполняться на высокие частоты вращения — до 100 000 об/мин.

При применении асинхронных генераторов в автономных энергеы
ческих установках в качестве источника реактивной мощности гспользу
ются конденсаторы (рис. 3.85).

Если сопротивление zH чисто активное, то реактивная мощность кон
денсаторов равняется реактивной мощности машины Qx = mxUxIx sin<p(

Когда zn содержит индуктивную составляющую, конденсаторы покрыва
ют реактивную мощность машины и нагрузки. При работе асинхронной
генератора на активно-емкостную нагрузку можно обойтись бе? кондс ,t
саторов. Следует иметь в виду, что габариты конденсаторной багар
большие и масса ее примерно такая же, что и у двигателя.

В установившемся режиме основные соотношения для асинхронно) и

генератора с самовозбуждением
можно определить из схемы за-
мещения (рис. 3.86). Эта схема
замещения отличается от схемы
замещения асинхронного двигате-
ля лишь тем, что на ее выводы
включены сопротивления нагруз-
1

ки zH и конденсатора хс =--.

<йхС

Рис. 3.86. Схема замещения асинхронны
го генератора с возбуждением от кони 
саторов
Процесс самовозбуждения асин-
хронного генератора можно представить
следующим образом. При вращении ро-
.ора генератора т частотой, близкой к
номинальной, за счет остаточного на-
магничивания ротора наводится ЭДС
. ,1СТ (рис. 3.87). Эта ЭДС наводит в це-
ни конденсаторов и машины ток 7]С,
который усиливает поле машины и
создает ЭДС Е\. Далее токи и МДС
возрастают, пока их значения не уста-
новятся в точке пересечения характе-
ристики холостого хода генератора с
нольт-амперной характеристикой цепи
ксденсаторов (хс1с) и не станут рав-
ными току Д и ЭДС Е\ (рис. 3.87).

Рис. 3.87. Самовозбуждение асин-
хронного генератора

Напряжение на генераторе зависит от емкости конденсаторов:
чем меньше емкость, тем больше угол а (рис. 3.87). При небольших
шачениях емкости вольт-амперная характеристика хс1с не пересека-
йся с характеристикой холостого хода XXX асинхронного генератора

и машина не возбуждается. Напряжение на генераторе зависит также

иг вида характеристики намагничивания. Изменяя насыщение асин-
хронного генератора, можно при постоянной емкости конденсаторов
рп улировать напряжение на выводах генератора. Изменять насыще-
ние магнитной системы генератора удобно путем подмагничивания
 пинки статора постоянным током. Изменять плавно емкость силовых
ишденсаторов трудно. Поэтому при плавном регулировании напря-

жения асинхронного генератора в цепь конденсаторов последователь-

но включается реактор и за счет изменения его индуктивности осуще-
i паяется регулирование реактивной мощности в системе и напряже-

ние на генераторе.

В асинхронном генераторе, работающем параллельно с сетью, часто-
1й икается сетью и не изменяется при изменении режима работы асин-
хронного генератора. В асинхронном генераторе, работающем в авто-
шиной системе, частота напряжения зависит как от частоты вращения
|нцира, так и от параметров генератора и элементов автономной системы.
•hi усложняет расчеты режимов работы автономной системы и проекти-
। шппие асинхронного генератора.

•начительные габариты конденсаторов и громоздкие схемы регули-
•1Ш11ИЯ ограничивают применение асинхронных генераторов в автоном-
*' системах. Схемы с синхронными генераторами находят большее

шменение.
В тормозном режиме ротор асинхронной машины из-за моме
приводного двигателя вращается в сторону, противоположную вращег
магнитного поля. Тормозной режим на круговой диаграмме за,тим
часть окружности от точки С (s = 1) до точки D, где s = +оо (рис. 3.84]

со,-со

этом режиме s =---------

со,

Особенностью тормозного режима является то, что как электрик
ская, так и механическая мощнс.ть поступает в машину и преобразуй
в тепло. Этот режим работы для машины тяжелый и обычно кратков;I
менный.

Переходным режимом торможения является режим г.ротивсзклкк
ния, который применяется для быстрого останова асинхронной машины

В установившемся режиме тормоза асинхронные машины работа
в крановых электроприводах, когда притормаживается груз, опускаем
подъемным краном. Тормозной режим используется в детандерах, koi
от струи газа или жидкости отбирается энергия. Чтобы асинхронная I
шина устойчиво работала в этом режиме и допускалось регулировав
частоты вращения, механическая характеристика должна иметь иритаI
ское скольжение s* ® 4-ь5 (см. рис. 3.40).

В трансформаторном режиме асинхронная машина работает при s •!
(точка С на круговой диаграмме рис. 3.84). В этом режиме машина ян
ется электромагнитным преобразователем и не преобразует электри
скую энергию в механическую или обратно. Однако на ротор действ,
момент, который можно определить по круговой диаграмме.

В тра ’сфпрматор>«-
режиме используются а г
хронные машины с фаз1|
ротором. При этом мс
обмотками статора и ро<
возможны трансформа'.,
ная и автотрансфо^тато а
связи.

Асинхронная маыш»
заторможенным рстор«
который может повори
ваться относительно m
тора на электричс |1
угол 360°, называется
зоретулягором (рис. 3.88,

При повороте pci'i
относительно статора I

Рис. 3.88. Схема и векторная диаграмма фазоре-
гулятора
•туда ЭДС на роторе не
. лняется, так как ЭДС в
tope наводится вращаю-
тся полем, а фаза (сдвиг
. »ду первичным и вто-
да-шым напряжениями) из-
•пяется. Векторная диа-
|*мма фазорегулятора да-
• на рис. 3.88, б. Принимая

Рис. 3.89. Схема и векторная диаграмма индук-
ционного регулятора

•швине и индуктивные
•противления фазорегуля-
i|ia равными нулю, можно

жгать, что й2 = Ё2. При повороте ротора относительно статора изменяется

I тменной угол а между напряжениями статора и ротора.

Ротор относительно статора поворачивается вручную или с помо-
ыо исполнительного двигателя. На ротор фазорегулятора действует мо-
«гц г, что следует учитывать при расчете редуктора, с помощью которого
пцествляется поворот ротора фазорегулятора.

Индукционный регулятор применяется для регулирования перемен-
но напряжения двух-, трех- и многофазных систем. Конструктивно ин-
тионный регулятор — заторможенная асинхронная машина с фазным
Мором, обмотки статора и ротора которой имеют автотрансформатор-
ю связь (рис. 3.89, а).

При повороте ротора индукционного регулятора напряжение на на-
же й2 изменяется в соответствии с векторной диаграммой рис. 3.89,
1 Напряжение на нагрузке U2 зависит от напряжения сети Ux и соотно-
I »| пня чисел витков на статоре и роторе, которое определяет Ё2, равное

Ё2=^-Ёх,	(3.130)

“Ai

1г Ё, ® Ц, wx, w2 — числа витков ротора и статора; fcoi и ко2 — обмо-
кшие коэффициенты обмоток ротора и статора.

Па векторной диаграмме рис. 3.89, ба — угол между обмотками
b.iopa и ротора. При повороте ротора относительно статора конец век-

<p.i U2 перемещается по окружности и на выходе индукционного регу-

Hipa напряжение изменяется от

^2mm

ДО ^2т.х '

11ри равенстве чисел витков обмоток статора и ротора Ёг = Ё, = йх.

11 "ом U2miK *2Ux,z и2пЛл = 0.
Рис. 3.90. Схема и векторная диаграмма сдво-
енного индукционного регулятора

В индукционном регу
ляторе по схеме рис. 3.89,1
при повороте рстора имеет
с амплитудой напряжен!
изменяется и фаза. Если на
обходимо иметь только и
менение напряжения, гр
меняется сдвоенный ин цу к
ционный регулятор (рис
3.90, а). Такой индукцион
ный регулятор состоит иг

двух индукционных регул*
торов, у которых обмотки ротора соединены параллельно, а обмотки ст
тора — последовательно. Магнитные поля двух индукционных регулят»
ров, имеющих общий вал, вращаются в противоположные стороны. Пу
этому ЭДС двух роторов при их повороте направлены так, что угол ме
ду 17, и й2 не изменяется. Векторная диаграмма сдвоенного индукцион»
ного регулятора представлена на рис. 3.90, б. Результирующий момент п*
валу сдвоенного регулятора равен нулю. Недостаток такого регулятора -•
удвоение массы по сравнению с обычным индукционным регулятором. 1

Как и в обычных трансформаторах, в трансформаторах с вращав
щимся магнитным полем можно получить преобразование числа фаз |

частоты.

3.19.	Однофазные двигатели

Передача и распределение электрической энергии в основном о*.
ществляются трехфазной системой напряжений и токов. Однако в быв
вых сетях и на транспорте применяются однофазные системы. Для пЦ
образования электрической энергии в механическую в этих сетях прим,
няются однофазные двигатели. Бытовые однофазные асинхронные двш|
тели выпускаются промышленностью в количестве нескольких десяти
миллионов в год. Основные применения их — в холодильниках, ьентнк
торах, кондиционерах, насосах и других бытовых приборах.

Однофазный асинхронный двигатель на статоре имеет однофэзн .
обмотку и короткозамкнутый ротор с заливкой пазов алюминием. Кош |
руктивно однофазный двигатель отличается от обычного трехфазшн
выполнением обмотки статора Однофазный двигатель получается I
трехфазного, когда используются одна или две его фазы (рис. 3.91).
В однофазных двигателях ток
..гора /] создает пульсирующее
|оле, которое может быть пред-
i.iBj/ено двумя, вращающимися в
||ю-щвоположные стороны полями.
1рямое и обратное поля имеют
знаковые амплитуды и вращают-
в противоположные стороны с
знаковой частотой. Эти поля соз-
нают моменты прямой А/н и обрат-
ной М2г последовательностей (рис.
’ 92), а результирующий момент

Рис 3.91. Схемы однофазных двигателей

Л/эм = Л/п-М22. (3.131)

При пуске, когда 5=1, однофазный двигатель не развивает пусково-
.< момента, так как моменты от прямого и обратного полей равны друг
.руту. Это большой недостаток однофазных двигателей.

Энергетические характеристики однофазных двигателей хуже харак-
ристик трехфазных, так как при том же моменте сопротивления сколь-
•гние у них больше, чем у трехфазного. Увеличение скольжения приво-
к| к возрастанию электрических потерь в роторе, снижению КПД и
ls<p. Максимальный момент однофазного асинхронного двигателя так-
if ниже, чем трехфазного.

При использовании трехфазного двигателя в качестве однофазного
*i необходимости использовать три фазы обмотки. При последователь-
ям включении трех фаз расход меди увеличивается на 50 % по сравне-
м<> с последовательным включением двух фаз, однако это дает увеличе-

МДС лишь на 17%, что. видно из сравнения F2 и F3, на рис. 3.93.
<>бы использовать три фазы обмотки при однофазном питании, необхо-
“ на одной из фаз поменять начало и концы обмотки.

J.92. Момент однофазного двига-
ли

Рис. 3.93. Результирующая МДС при
соединении последовательно трех и
двух фаз обмотки
Рис. 3.94. Математическая модель однофазно-
го двигателя

Трехфазный двигатель
имеет мощность

P3=43U„I„-n3cos<p3,
где ц3 и cos<p3 — КПД в
коэффициент мощности а
трехфазном режиме. Мот
ность однофазного двигателя

где т]1 и cos<pl — КПД и
коэффициент мощности од
нофазного двигателя.

В тех же габаритах мои»
ность однофазного двигателя
составляет 50—60% мощно
ста трехфазного. Поэтояф
работа трехфазного двигателя

с номинальной нагрузкой при обрыве одной фазы в однофазном режиме 
допустима, так как ток в обмотках двигателя будет значительно больше к
минального. Работа трехфазного двигателя при обрыве фазы является одт 
из причин преждевременного выхода из строя асинхронных двигателей.

Математическая модель однофазного двигателя состоит из двух пар <4
моток на статоре и роторе (рис. 3.94). Обмотки w[u и создают прям»*
поле, и к ним подводятся напряжения и'1а = Un sin at и = Um cosat < ft
мотки и w3fi создают обратное поле, и к ним подводятся напряжения
м2а = cosat и Mjp = Un sinat. Если ротор короткозамкнутый, наирам
ния на обмотках ротора равны нулю. Если рассматривается ненасыщснн*4
однофазный двигатель, когда связи между прямым и обратным полями он >»

ствуют, уравнения напряжения записываются в виде:

U't«			0	Рмпа	0	0	0	0	0	
c/L		0	ria+P^	0	рМг1а	0	0	0	0	
0		рМ11а	0		0		0	МпрЮр	0	
0		0	РМ22а	0	rL+PE*	0		0	3^22р®р	
0		-А/11о®р	0	-Д«<0р	0	rip +рАр	0	РЗ/цд	0	
0		0	~ Maa(£>f	0	-Дс®р	0	»2Р + Р^Чр	0	pMllf	
ц,		0	0	0	0	рЧш	0	’я+рд»	0	
		0	0	0	0	0	рМ11а	0	fjf+pl»	

(»»
В (3.132) rfa, rip, г[а и rip — активные сопротивления прямой по-
иедовательности статора и ротора по осям а и Р; г2’п, г/р, г2га и г2а —
ш ивные сопротивления обмоток статора и ротора для обратной после-
довательности по осям аир. Активные сопротивления обмотки статора
и1я прямой и обратной последовательностей равны друг другу. Активные
противления ротора за счет вытеснения тока несколько отличаются
друг от друга. Частоты токов прямой и обратной последовательностей в
роторе различны из-за того, что поле прямой последовательности враща-
। »ия в сторону вращения ротора, а поле обратной последовательности —
• противоположную сторону; L‘la,	, Z2a и Z2p — индуктивности об-

щи ок статора прямой и обратной последовательностей статора по осям a
I « |1 Эти индуктивности равны друг другу; I^a, L[^, Lrla и Z2p — индук-
iiiuiiocni обмоток ротора по осям аир. Они также равны друг другу, так
н* индуктивности определяются геометрией машины; MIla, МПр, М22а и
In — взаимные индуктивности между обмотками, которые можно счи-
ч. одинаковыми и равными М; г’п, ifp, г[а, /,р —токи прямой последо-
| цельности в статоре и роторе по осям а и Р; i2a, i2p, i2p и i2n — токи
ри гной последовательности в статоре и роторе по осям аир.

Момент однофазного двигателя определяется из схемы рис. 3.80, в
порой к двум статорам независимо подводятся напряжения прямой (Д,
| и обратной U2, f2 последовательностей. В однофазном двигателе в об-
►чкс ротора протекают токи прямой и обратной последовательностей,
I “*му в схеме для определения момента взят один ротор.

Для схем рис. 3.80, б уравнение момента записывается в следующем

I ^>м = ^[GipAa ~ г1аг1р) — (,#2рЧа — ЧаЧр ) + (АрЧа ~ ZlaZ2p) ~ (Z2pZla ~ *2аЛр)1 -

(1.133)

)лектромагнитный момент представляет собой алгебраическую
•»м четырех слагаемых

Мж=Мп-М12+М12-М„,	(3.134)

 Мн — момент прямой последовательности, определяется произведе-
• гоков прямой последовательности [первый член в (3.133)]; М22 —
обратной последовательности, определяется произведениями то-
Ь» ийратной последовательности [второй член в (3.133)]; Мп и Л/21 —
и । ы от токов разных последовательностей в статоре и роторе.

II шимо действие токов прямой и обратной последовательностей соз-
Рис. 3.95. Схема замещения одно-
фазного двигателя

дает пульсирующие моменты, koiii
рые в установившемся режиме яфд
ются причиной вибраций и шума.

Совместное решение уравнений
напряжений (3.132) и уравнения дам
жения (3.133) с помощью ЭВМ Д1м 1
ответы на большинство вопросов, с им
занных с электромеханическим пре
образованием энергии в однофазных
двигателях.

Для анализа работы однофазных
двигателей используется теория несим
метричных режимов трехфазных двш л
телей. Можно напряжение на обмо1
статора однофазного двигателя предел а-
вить состоящим из напряжений прямой
и обратной последовательностей:

U — Ua иь—(Ца1+йа2)	+^и) — (ZclZ>l + Zc2^az) (Zcl41 Zc2^bl) •

(3.13')

здесь z, и z2 — сопротивления прямой и обратной последовительност<-н
однофазного двигателя.

Для (3.135) может быть предложена схема замещения, состоящая in
двух последовательно соединенных сопротивлений прямой и обратной
последовательностей (рис. 3.95). На схеме замещения 1'21 и 1'22 — припс
денные токи в роторе прямой и обратной последовательностей; /м, и /р2
намагничивающие токи прямой и обратной последовательностей, кото
рые в первом приближении можно (при s я 1) считать одинаковыми. Со
противления в схеме замещения для статора имеют индекс 1, а для ротора -ж
индекс 2.

Основной недостаток однофазных двигателей — отсутствие пуско*
вого момента. Чтобы при однофазном питании двигатель развивал пуске
вой момент, надо уменьшить момент от обратного поля и увеличить мп
мент от прямого поля (см. рис. 3.92). Необходимо от пульсирующего по
ля в воздушном зазоре машины перейти к эллиптическому полю. Наи-
лучшие условия при пуске будут при круговом поле, когда момент от обр.п
ного поля Л/22 = 0. Основные видоизменения конструкции однофазных дай д
телей направлены к обеспечению удовлетворительных пусковых свойств.

Однофазные конденсаторные двигатели (рис. 3.96) получили нац
большее распространение. В этом двигателе две обмотки на статоре w'u I
w'p сдвинуты относительно друг друга на
шектрический угол 90°. Чтобы обеспечить
|двиг во времени между токами в обмот-
кйч и , включают рабочий конден-
«тор Ср.

Конденсатор является лучшим фазос-
мещающим элементом по сравнению с
нкигеным или индуктивным сопротивле-
нием. Для одного из режимов в коцденса-
к>рных двигателях при постоянной емко-
ии можно получить круговое поле,

Рис. 3.96. Однофазный кон-
денсаторный двигатель

уменьшив до нуля обратное поле. Чтобы в воздушном зазоре поле было

иг зким к круговому от режима пуска до номинального режима, необхо-

димо изменять емкость. Поэтому в некоторых случаях на время пуска
m к мнительно к рабочему конденсатору Ср подключают пусковой кон-
це нсатор С„, который отключается после пуска двигателя. Так как пуско-
ичй конденсатор работает в кратковременном режиме, его габариты не-
большие. Емкость рабочего конденсатора рассчитывается на продолжи-
1Г'1ьный режим работы. Пусковой конденсатор должен обеспечивать кру-
|<>ное поле при пуске при номинальной нагрузке.

В конденсаторном двигателе, у которого постоянно включен в фазу 0
юпденсатор Ср, рассчитанный на круговое поле в номинальном режиме,
мощность обеих обмоток одинакова. Однако число витков в фазах а и 0
может быть различно. Отношение чисел витков в фазах

<=!^ = к
&р «р

(3.136)

п> коэффициент трансформации конденсаторного двигателя.

При круговом поле напряжения фаз сдвинуты на электрический угэл
W и Пр = киа, а МДС обмоток

2.42	242. ,,

-----А^обр =--------/И“’а<ба •

л	Л

(3.137)

При этом токи 1а и /р также сдвинуты на электрический угол 90°.
I' |«>ме того, углы между напряжениями и токами в фазах а и 0 и угол между
ничияжением сети и общим током одинаковы. Поэтому векторная диаграмма
кпчденсаторного двигателя выглядит так, как показано на рис. 3.97.

Напряжение на конденсаторе

tfc=(7a+[/p,

(3.138)
Рис. 3.97. Векторная диа-

грамма конденсаторного
двигателя

а напряжение в фазе а равно напряжении
сети: Ua = U.

Тогда

Uc =

sincp,

(3.11

где из векторной диаграммы sin <ра = sin <j»p

Емкость конденсатора, необходима
для получения кругового поля, определи! 
из выражения

(3.14

После подстановки (3.139) в (3.140) имеем

с sin <рр
соц.

Емкость, необходимая для получения кругового поля, достаточ®
большая и занимает объем, близкий к объему самого двигателя, что яни*1
ется недостатком конденсаторных двигателей.

Энергетические показатели конденсаторного двигателя благодщ*
круговому полю в воздушном зазоре такие же, как и у трехфазного дшп •
теля. Таким же оказывается и использование материалов.

Конденсаторные двигатели выпускаются большими сериями клй •
пусковой, так и с рабочей емкостью, на мощности от 18 до 600 Вт.

Одной из разновидностей однофазных асинхронных двигателей являв
двигатели с экранированными полюсами
или, как их еще называют, однофазные
двигатели с короткозамкнутым витком на
полюсе. В таких двигателях статор имеет
явно выраженные полюсы, на которых
располагается однофазная катушечная
обмотка 1 (рис. 3.98). Каждый полюс про-
дольным пазом разделен на две неравные
части. Меньшую часть полюсного нако-
нечника охватывает короткозамкнутый
виток 2. Штампованный из листов элек-
тротехнической стали магнитопровод ста-
тора образует полюсные наконечники и
спинку статора. Ротор двигателя —
обычный, с короткозамкнутой обмоткой.

Рис. 3.98. Однофазный двигагеи
короткозамкнутым витком нп Л
люсе
I ок, протекающий в обмотке статора 7,, создает пульсирующий по-
» который наводит в короткозамкнутом витке ток 7к. Индуктивные и
питые сопротивления обмотки и короткозамкнутого витка различны,
ному токи 7, и 7К сдвинуты во времени, а оси обмоток сдвинуты в

V" «ранстве.

11з-за пространственного сдвига обмоток статора и временного сдви-
UOIOKOB в воздушном зазоре между ротором и полюсным наконечни-
м образуется вращающееся поле. Оно имеет прямую и обратную со-
чиняющие и отличается от пульсирующего поля, которое было бы в
при отсутствии короткозамкнутого витка.

Однофазные двигатели с экранированными полюсами имеют при
ini' момент, равный (0,2-?0,5)Л7ИОМ. Двигатель имеет низкий КПД, рав-
ч 25 -40%. Однофазные двигатели с экранированными полюсами в ос-
• 'Яном выпускаются на мощности 20—50 Вт, а иногда до 300 Вт. Такие дви-
III применяются в вентиляторах, кондиционерах, проигрывателях и дру-
I М гановках с вентиляторной характеристикой момента нагрузки.

Двигатели с экранированными полюсами нереверсивные. Направле-
р» вращения ротора у них определенное — от широкой части полюсного
• •••шсчника к короткозамкнутому витку (рис. 3.98).

< >дпофазные двигатели с короткозамкнутым витком на полюсе име-
• I m-ный ряд модификаций: с двумя или тремя короткозамкнутыми Вит-
1, несимметричной магнитной системой и др.

Однофазные асинхронные двигатели в отличие от двухфазных и
<|||ызных — несимметричные электрические машины. В этих машинах
• *||1пческий угол сдвига второй обмотки может быть равен 90°, а па-
1И1|>ы — индуктивные и активные сопротивления обмоток — могут
। tu'Li гься. Поэтому в этих машинах есть пространственная, электриче-
и магнитная несимметрия. Несимметрия приводит к появлению об-
hiiiiii о поля, что является причиной ухудшения энергетических характе-
 । ьзких машин.

I рсхфазные двигатели могут использоваться как однофазные. Наиболее
wii|Hit ।раненные схемы включения трехфазных двигателей в однофазную
инны на рис. 3.99.
В* (игом включении
• HMI сдвинуты отно-
• ii.no друг друга на
цчпсский угол 90°, а
*  in .пор обеспечива-
» iiwiti токов, поэтому
• - м <азоре близко к

Рис. 3.99. Схемы включения трехфазных двигате-
лей в однофазную сеть
круговому. Двигатели, которые могут использоваться как трехфазные и о i
нофазные, называются универсальными.

3.20.	Специальные асинхронные машины

Понятие «специальные машины» отражает специфику применствч
машин и связанные с этим конструктивные видоизменения. Применения
асинхронных машин непрерывно расширяются, и их многообразие Пельц
описать при ограниченном объеме книги, поэтому ниже рассматриваю и а

лишь отдельные основные группы специальных асинхронных машин
Многочисленная группа специальных асинхронных машин, применяемы,
в системах автоматического управления, описана в § 3.21.

Одной из ветвей конструктивного видоизменения асинхронных мя
шин являются машины с двумя роторами и в пределе машина с п рок>р |
ми. На рис. 3.100 показана конструкция машины с двумя роторами. Buy*
ренний ротор 1 обычный с короткозамкнутой обмоткой, а второй рон-|
выполнен в виде полого цилиндра 2. Статор 3 — традиционной кошм
рукции. Первый ротор может использоваться для вращения вентилятор
который обеспечивает отвод тепла, а двигатель с полым ротором испои*-
зуется как исполнительный двигатель. При регулировании напряжени.
частота вращения вентилятора изменяется мало, так как короткозамкн
тый ротор имеет небольшое активное сопротивление, а частота вращен»*
полого ротора при изменении напряжения изменяется в широких пределах

Система уравнений, описывающая процессы преобразования энерым
в машине с двумя роторами, состоит из двух уравнений движения и пк«
ти уравнений напряжения.

Можно представить машину с тремя, четырьмя и и роторами и  •
ставить для них математическую модель. Математическая модель маше

Рис. 3.100. Асинхронный двигатель с дву-
мя роторами

ны с несколькими или и роы
рами подходит для анализа it|<-
цессов электромеханически!
преобразования энергии и «•
шинах с жидким ротором. М*
шины с жидким ротором НИМ*
ваются также магнитогидро и-
намическими машинами (Ml *
машинами).

Магнитогидродннами*»
скне двигатели — насосы
стоят из двух неподвижных м
торов — одного с обмоткой •
itnporo (внутреннего статора) без обмотки. Между стальными сердечни-
|имн обычно имеются тепловые экраны, предохраняющие сердечники и
•й.могки от попадания жидкости и снижающие гидравлическое сопротив-
N вис. Вращающееся магнитное поле наводит в жидкости — роторе ма-
нтии — токи, и электромагнитные силы увлекают жидкость. Чтобы по-
«гшгь осевые перемещения жидкости один из статоров или оба имеют
«инговую нарезку. Жидкий ротор, так же как и массивный ротор (см. рис.
И">), можно разделить на и слоев Каждый слой имеет механическую

•*чн. с другими слоями, и при вращении жидкости имеет место сложное
•ывмодействие между слоями, определяемое как магнитным полем, так и

типическими воздействиями. В первом приближении п слоев жидкости
ннжно заменить одним слоем и рассматривать процессы преобразования
Цтргии как в асинхронной машине с одним ротором.

Индукционные насосы находят применение в атомных реакторах для
trtopa тепла из радиоактивного контура. В качестве теплоносителя ис-
• милуются жидкие металлы и сплавы — натрий, калий и их соединения.
Нячпдят применение установки для перемешивания жидких металлов в
Цшилургической промышленности и в литейном производстве.

В МГД-машинах жидкий ротор может быть заменен электропрово-
|»ч(им газом или плазмой. Асинхронные двигатели с газообразным рото-
(••«< не нашли применения.

Как и все электрические машины, МГД-машины обратимы. Прого-
не лидкость или газ в магнитном поле, можно создать МГД-генераторы,
* индукционных насосах, чтобы получить генераторный режим работы,
» »и точно прогонять жидкость со скоростью, большей скорости движе-
•  магнитного поля.

И инейные двигатели отличаются от обычных асинхронных двига-
Wii ll тем, что они имеют разомкнутый магнитопровод, и круговое поле в
•пленном зазоре линейных двигателей ни при каких условиях не может
• и. получено. Если в обычном асинхронном двигателе выполнить магнито-
ц-шод в виде дуги, получим машину с дуговым статором (рис. 3.101, а). Та-
»* двигатели удобно встраиваются в механизм, они находят применение в

ч i»ti< щах сепараторов и установках для перемешивания металла.

Принципиальным недос-
BitiiM таких машин является

•минские в воздушном зазоре

*гпных волн. Если в
фы'шой электрической ма-
*мн< и воздушном зазоре об-
г»' инея бегущие волны, ко-
fet • » укладываются по ок-
• • in in статора целое число

Рис. 3.101. Двигатель с сегментным (дуговым)
ротором (а) и линейный двигатель (б)
раз, то в машине с дуговым статором бегущая волна магнитного поля, шр
жаясь от краев магнитопровода, искажается, порождая бесчисленное чип>.
отраженных от обоих краев волн магнитного поля. Это явление принят >•
зывать краевым эффектом. Краевые эффекты ухудшают энергетические по*
затели машины, что ограничивает возможности применения таких машин

Картина поля в воздушном зазоре асинхронного линейного двиип
ля определяется во многом длиной дуги статора а (рис. 3.101, a). I Ip*
числе пар полюсов р и частоте сети f частота вращения

п. =——

2л р

(3 M i

При а = 2л, когда статор полностью охватывает ротор, получас и •
f
обычная машина и синхронная частота вращения и, = —.

Р

Условия электромеханического преобразования энергии, близкие •
машинам с дуговым статором, имеются в обычных асинхронных двипиа
лях, когда используется только часть обмотки статора. Если в трехфа июм
двигателе отключить одну фазу, а две оставшиеся подключить к двухфи»
ной системе напряжений, то вращающееся поле будет создано лини. <«
части статора, занятой обмоткой, обтекаемой токами. В этом случае по»
вятся отраженные волны магнитного поля от участков стагора, запннм
секциями обмотки отключенной фазы. Хотя в этом случае нет явно аф
раженных границ магнитопровода, краевые эффекты проявляются по Л
так же, как в машинах с дуговым статором.

При проектировании электрических машин необходимо стремиi *4
как к магнитной симметрии, так и к электрической симметрии, когда • •
мотки статора и ротора занимают всю зубцовую зону. Если в машшн«
дуговым статором увеличить радиус до бесконечности, получим лпп<4
ный двигатель, показанный на рис. 3.101, б. В линейном двигателе м<>««
быть статор 1 длиннее ротора или наоборот. Ротор в линейных двиг
лях часто называют бегуном 2.

В воздушном зазоре линейного двигателя, так же как и в двигаг 1
дуговым статором, за счет отраженных волн .магнитное поле сильно *
кажается и не может быть круговым. В первом приближении магишх
поле в зазоре линейного двигателя можно рассматривать как эллипш-
ское поле с достаточно большой амплитудой обратного поля.

Конструкции линейных асинхронных двигателей весьма разнш4
разны. Бегун может выполняться в виде массивного ротора или с м
роткозамкнутой обмоткой, расположенной в пазах. Чтобы избе иЛ\
магнитных тяжений, линейный двигатель может иметь ротор, р < »
ложенный между двумя статорами. Возможно применение обраио
и»И конструкции, когда короткозамкнутый ротор неподвижен, а дьи-
• 1ся статор с фазной обмоткой.

Линейные двигатели находят применение для получения возвратно-
»г нательного движения. Однако в этом случае применение их целесо-
|нппо там, где допустимы низкие энергетические показатели. Коэффи-
п полезного действия в этом случае низкий из-за искажения поля в
ушном зазоре, а также из-за того, что при пусках и остановках двига-
I» 1и большая часть энергии, забираемая из сети, преобразуется в тепло.
II* прерывные переходные процессы при реверсировании двигателя резко
iti.rK.uoT КПД и cos<p. Прежде чем пойти на применение линейного дви-
к*ля для получения возвратно-поступательного движения, необходимо
и нить его с обычным двигателем и механической системой для полу-
 ния возвратно-поступательного движения.

Линейные двигатели могут использоваться для различных транс-
№>1'1 ных устройств. Одним из возможных вариантов является использо-
лнс в качестве бегуна экипажа, перемещающегося вдоль полотна, пред-
||* иющего собой статор длиной в десятки и сотни километров. При
и пн гном подвесе экипажа могут быть достигнуты скорости в несколько
••‘си километров в час. Однако такие установки требуют большие мощ-
41, необходимые для высокоскоростного транспорта и осложняют их
н । ю зое применение. Бблыпие перспективы, на наш взгляд, имеет грузо-
• ill плнспорт с линейными двигателями при сравнительно низких скоро-
шк движения.

Важным направлением применения линейных двигателей является
пользование их для ускорения или замедления больших масс движу-
iim я объектов.

И инейные асинхронные двигатели используются в качестве насосов,
if Ui ротором является жидкость. Плоские насосы имеют два статора с
Ыо1кой 1, между которыми находится канал прямоугольного сечения 2
видким металлом (рис. 3.102). Для линейных асинхронных двигателей с
Жидким ротором недостатки из-за турбулентного течения жидкости в ка-
 только усугубляются.

Иинейные электрические машины применяются практически только в

-	in цельном режиме. В генера-
jhiism режиме находит приме-

	мг МГД-генератор — элек-
..шический преобразова-

	м шергии. МГД-генератор на
* <•> >цс обычно дает постоянные

•|чя“:ние и ток (§ 5.12). Но
| I и) ньсациях магнитного по-
• инн скорости плазмы на вы-



Рис. 3.102. Насос, выполненный на базе
линейного двигателя

1ц.Ш> и (j_U_0<U_U

349

I
Рис. 3.103. Двухмерная электрическая
шина

подвижную часть принято называть

ходе можно получить перем п
ные напряжение и ток. Ta«'i'
генератор по принципу дейспш»
и конструкции близок к лингв)
ным двигателям и МГД-насо^а-

Во всех машинах, каюр

рассматривались до сих из-
вращалась только одна чш j I
машины — ротор. Одним*

мя можно сделать машину, у *
торой будут вращаться и р»
тор, и статор (рис. 3.103). П
статором, поэтому лучше говорить >

машине с двумя роторами. В двухмерной машине или машине с дву

степенями свободы внутренний 1 и внешний роторы 2 вращаются они.
сительно друг друга в противоположные стороны. На валу имеется дш>11
ной комплект контактных колец 3, через которые обеспечивается связь •
вращающимися обмотками. Электромагнитный момент приложен к впу <

реннему и внешнему роторам. При этом угловые скорости внешнего а
и внутреннего <оот роторов в сумме примерно равны синхронной углопн*
скорости поля юс.

Машина с двумя вращающимися роторами имеет две степени св<>'»
ды и описывается системой четырех уравнений напряжений, двумя ур*

нениями движения и уравнением, связывающим угловые скорости:

r°+4z° 4м

at at

—М rr+—L' Lra(0 Ma i'
j.	а.	а В вн	вн	а

at	at

-Мо,н -Z>,„ 'p+^L'f,	%

-Мо.ш	~м ^+-^4 г;

м„ = рМ(Га{;-1&)-

JroBH

р dt



Лш
р dt

= Мзи-Мзш;

гос=овт + швш.

(3.144

(3 M i

(3.14g

(З.НЦ
Уравнения двухмерной элек-
||ц|’1еской машины (3.143)—
(I 146) отличаются от уравне-
ний одномерной машины тем,
•н<> в уравнениях напряжений,
tn носящихся к внутреннему и
«ипинему роторам, есть члены,
определяющие ЭДС вращения,
in* как обе части вращаются. В
цшпнения движения входят mo-
mi ты инерции внешнего JBU1 и
•in феннего Jm статоров, а так-

___________	__ „ „ Рис. 3.104. Трехмерный асинхронный дви-
•• моменты сопротивлении,	г

_	гатель

нрипоженные к обоим роторам,
Wi)(l п

Трехмерная электрическая машина, показанная на рис. 3.104, имеет
нолукольцевых статора 2 и 3 и ротор / в виде шара. Ротор подвешен
вщ статорами и в зависимости от моментов, создаваемых статорами,
«рищается в трехмерном пространстве.

Нели в трехмерной машине (рис. 3.104) вращаются и ротор, и статор,
И» но будет шестимерная машина. Изучение процессов преобразования
«н ргии в многомерных электрических машинах имеет важное значение
ш космической электромеханики, когда масса, с которой соединен ста-
•••р шектрической машины, соизмерима с массой ротора и вращение
• и мрических машин влияет на ориентацию корабля.

Процессы электромеханического преобразования в многомерных
и мромеханических преобразователях описываются гораздо более
|цнАными уравнениями. Уравнения машин с одной вращающейся частью
••чикися частным случаем уравнений машин с несколькими степенями
Шнбоды. Подходить к уравнениям многомерных машин, наращивая их
И1* ность и двигаясь от уравнений обычных одномерных машин, надо
in. осторожно. Уже в двухмерной машине понятие скольжения — от-
и ни-лыюй частоты вращения — усложняется, а момент инерции влияет
• 111пчение установившейся частоты вращения. Многомерная электриче-
• и машина с п степенями свободы не может преобразовывать энергию в
•паническую и обратно, так как из (3.146) следует, что частота враще-
•н и такой машине стремится к нулю, и-мерная машина работает как
| •• к 1|>омагнитный преобразователь [4].

la счет несимметричного расположения ротора внутри статора мож-
нииучить электрические машины с новыми качествами.

В двигателях с катящимся ротором ротор с короткозамкнутой об-
• Мой расположен эксцентрично относительно статора (рис 3.105).
Рис. 3.105. Двигатель с катя-
щимся ротором

Вращающий момент в таком двигал-w
создается за счет сил одностороннего мш
нитного притяжения Из-за большой н>
симметрии воздушного зазора элекцч*
магнитный момент формируется из прощ
ведений токов в обмотках статора и рощ
ра, расположенных в разных осях и и»
одной оси. В уравнении момента о(мО
щенной машины появляются произведен!!"
токов в обмотках статора i*i' и ponft
ipip, расположенных по одной оси.

Несимметричное магнитное поле щ>

ворачивает ротор в точке касания его со статором, а также будет перем»
щаться ось ротора по малой окружности, показанной на рис. 3.105 шди»
ховой линией. При этом частота вращения ротора зависит от разноеЦ
длин окружности статора и ротора или разности радиусов статора К, |

ротора Rr:

®р

= 2л

R.-R,
Rr

(3.1-Pi

или

(3.1ЛГ

Рис. 3.106. Двигатель й
новым ротором

Несимметрия магнитного поля в двигателях с катящимся роторта
достигается не только за счет несимметрии зазора, но и за счет схем >4
моток и схем питания.

Недостатком таких двигателей является большой шум, износ капам
по которым перемещается ротор, и необходимость в специальных n.i|
дачах от вала двигателя к приводному механизму.

В двигателях с волновым ротором ротор
деформируется под действием сил магнитного
тяжения. При вращении поля волны деформа-
ции перемещаются синхронно с полем и про-
исходит обкатывание статора 2 ротором 1. При
этом, когда поле сделает один оборот, ротор
повернется вокруг своей оси на угол, равный
разности длин окружностей статора и ротора
(рис. 3.106). По принципу действия этот двига-
тель аналогичен двигателю с катящимся рото-
ром и ему присущи те же недостатки.
iflecb кратко рассмотрены только основные конструктивные видоиз-
чпкч1ия асинхронных машин, которые далеко не исчерпывают всего
•ши । юбразия специальных асинхронных машин.

3.21. Асинхронные машины автоматических
устройств

К машинам, применяемым в автоматических устройствах, в первую
•н> |и щ, относятся асинхронные исполнительные двигатели. Эти двигате-
*>( должны обеспечивать высокий диапазон изменения частоты вращения
ц>н цинейных механических и регулировочных характеристиках. Испол-
ннн'ньные двигатели должны иметь высокое быстродействие, большой
iновой момент, малую мощность управления, малый момент трения, а
 * • не иметь самохода при уменьшении напряжения управления до нуля.

тим противоречивым требованиям в основном удовлетворяют
афазные асинхронные двигатели с полым ротором и двигатели с ко-
I >р ошмкнутой обмоткой ротора с повышенным активным сопротивле-
нии. Дя тгатели с полым ротором, рассмотренные в § 3.15, выполняются
В мощность до 30 Вт, а двигатели с короткозамкнутым ротором с повы-
fepiinuM сопротивлением — до 500 Вт. Исполнительные асинхронные
вмели могут изготовляться на мощность и в несколько киловатт.

11('110лнителы.ые асинхронные двигатели на сотни ватт выполняются
I шихгованным ротором, а короткозамкнутая обмотка заливается с [лава-
Н ни миния с повышенным сопротивлением или сваривается из латуни
» hi бронзы. Используются также двигатели с массивным ротором, рас-
шргчные в § 3.15, которые имеют худшие энергетические и массога-
»«|iiiiiii>i[e показатели по сравнению с двигателями с шихтованным рото-
г м Двигатели с массивным ротором применяются в высокоскоростных
инодах, в которых двигатели с короткозамкнутой обмоткой из-за не-
» । д 11иной механической прочности применяться не могут.

В асинхронных исполнительных двигателях основной проблемой яв-
 « отвод тепла, которое выделяется в машине при глубоком регули-
Вннии частоты вращения. Для лучшего охлаждения исполнительных
•in bi слей применяются вентиляторы-наездники, частота вращения ко-
• тыч не зависит от частоты вращения исполнительного двигателя, ис-
•• hi ‘устся также охлаждение водой и внутреннее испарительное охлаж-
•И11- В исполнительных микродвигателях интенсивный отвод тепла
nice । вляется также путем увеличения поверхности охлаждения.

Дня плавного регулирования частоты вращения асинхронных испол-
• । НЦ.НЫХ двигателей применяются два способа: частотный (изменение
Рис. 3.107. Схема управления
двухфазным двигателем

частоты напряжения) и изменением напря
жения (изменение скольжения за счет нм
плиту ды и фазы питающего напряжении
Наибольшее распространение получил ш«>
рой способ, так как преобразователи чащ»
ты, несмотря на применение силовых пол»
проводниковых элементов, остаются ip<
моздкими и дорогими. При регулировании
частоты вращения исполнительных двнц
телей путем изменения напряжения прим.

няют три способа управления: амплитудное, фазное и амплитудно-фин
ное. При амплитудном регулировании изменяется амплитуда подводим»
го к двигателю напряжения, при фазном — фаза напряжения, а при им
плитудно-фазном изменяется и амплитуда, и фаза напряжения.

При изменении амплитуды или фазы питающего напряжения итм«
няется форма поля в воздушном зазоре из-за изменения амплитуд прими
го и обратного полей. Таким образом, за счет изменения степени эллин

тичности поля в воздушном зазоре осуществляется регулирование час in
ты вращения.

В системах автоматического управления мощностью до 1 кВт о(>ы"
но применяются двухфазные двигатели, когда одна обмотка (обмоне
возбуждения аув) подключена к сети, а обмотка управления wy питает
через регулятор напряжения РН (рис. 3.107). В исполнительных двигш*
лях мощностью больше 1 кВт используются трехфазные двигатели, koi и
каждая фаза обмотки через регулятор напряжения подключается к сети

В последнее время в качестве управляющих элементов применяют
регуляторы напряжения на тиристорах и транзисторах, находят так.
применение схемы на магнитных усилителях. Следует отметить, ч>
управляющие элементы имеют большие габариты, так как они рассчим
ваются на полную или на часть мощности системы. Габариты и си#
мость управляющих элементов возрастают в реверсивных системах, кок
необходимо изменять направление вращения и регулировать часки
вращения в широких пределах.

Стремление снизить массу всей системы регулирования приводи! I
попытке объединить исполнительный двигатель и регулятор напряж< им
или преобразователь частоты в одном агрегате и за счет лучшего исноик
зования материалов получить общее снижение массы электромеханик
ской системы.

Удачным совмещением исполнительного асинхронного двигателя |
магнитных усилителей являются двигатели-усилители (рис. 3.108). В •"»
гателях-усилителях обмотки магнитных усилителей наматываются 
спинку магнитопровода статора, а обмотки двигателя 1 и магнитного М
354
F**r J.108. Асинхронный двигатель-усилитель

Bnhmih 2 укладываются в пазы. Обмотки переменного тока наматываются
। пинку статора каждого пакета 3, а обмотки управления охватывают
** пакета. В ярме статора потоки магнитного усилителя и двигателя
^<ы цы каются. Сталь ярма статора является магнитопроводом магнитных

•inn гелей и двигателя. Ротор (4) короткозамкнутый.

В коробке выводов 5 двигателя-усилителя помещаются диоды маг-
iiiMK усилителей. В специальных машинах обычно коробки выводов
no* увеличенные размеры, так как в них располагаются различные
и> •ч нгы систем управления. Благодаря тому, что силовые обмотки маг-
...*пых усилителей соединены последовательно с обмоткой статора дви-
• »*• '1и, при работе системы напряжение сети перераспределяется между
Нониным усилителем и двигателем так, что суммарный магнитный по-
• '• практически не изменяется. Когда магнитные усилители не насыще-
 ИХ ноток максимален, а при насыщении магнитных усилителей маг-
хпный поток максимален в исполнительном двигателе. В промежуточ-
но режимах поток перераспределяется между магнитными усилителями
| цпш ателем. Двигатели-усилители обеспечивают снижение массы по
Ьмнк-нию с раздельной системой в 1,2—1,5 раза и, несмотря на приме-
►•«<• регуляторов напряжения на тиристорах, являются наименее метал-
ЙМИМ1МИ системами.
В настоящее время для управления различными механизмами i >|> 
меняются микроЭВМ — микропроцессоры. Упрощение технологии ин«
товления и увеличение надежности микропроцессоров приводит к гом
что они встраиваются в электрические машины, чтобы получить при
стейшие самонастраивающиеся электромеханические системы.

В системах автоматического управления для приводных механизме
часто требуются низкие частоты вращения и большие моменты. Получи i
низкую частоту вращения, имея частоту сети 50 или 400 Гц, можно пум
увеличения числа полюсов двигателя. Однако увеличение числа полют
ограничивается технологическими причинами, так как нельзя из-за in
клепа сделать ширину зубцов меньше примерно 1,2 мм, а диаметр дайн
теля, как правило, ограничен. Применение механических редукторов и
ложняет и снижает точность электромеханической системы.

Электрические машины позволяют получить электромагнитную । 
дукцию частоты вращения. В основе электромагнитной редукции ле*
использование пространственных гармоник и несимметрии воздуипю!
зазора в двигателях с ротором индукторного типа, с катящимся или в^
новым ротором.

В редукторных двигателях в качестве основной гармоники исполу
ется 5-я или 7-я пространственная гармоника, которая имеет в 5—7 р
меньшие синхронные частоты вращения. При определенных соотш'ш
ниях чисел зубцов на роторе и статоре и числа пар полюсов высшие П|>
странственные гармоники имеют амплитуду большую, чем 1-я, и дюМ
тель работает на высшей пространственной гармонике как на основной

Недостатком редукторных двигателей является низкий КПД и |>-
брос характеристик, зависящий от технологии изготовления двигатели.

В настоящее время созданы электромеханические системы с иснн
нительными двигателями, обеспечивающие равномерную частоту вршн
ния в один оборот и доли оборота в сутки.

Наибольшие трудности существуют при создании моментных н ><
хронных двигателей с большими моментами при <ор ~ 0, а также обсчн
чивающих глубокое регулирование частоты вращения.

В генераторном режиме асинхронные машины в системах автом«г
ческого управления широко используются в качестве тахогенераторо«|
датчиков частоты вращения и датчиков ускорения.

По своей конструкции асинхронные тахогенераторы ничем не она
чаются от асинхронных двигателей с полым ротором. К одной из обмин
статора — обмотке возбуждения wsa подводится переменное напряжш
UB. При вращении ротора со второй обмотки статора , сдвинутой
электрический угол 90° по отношению к обмотке возбуждения, снимал
напряжение Ur, которое пропорционально частоте вращения (рис. 3,|(W
356
11ри неподвижном роторе, когда Гор = 0, в
(Ймогкс ьУр ЭДС не наводится и UT = 0. При
{решении согласно (3.132) в обмотке статора
, расположенной под углом 90° к w'a, будет
(мпчдигься синусоидальное напряжение, про-

4“

Рис. 3.109. Асинхронный
тахогенератор

и'||циопальное Юр.

Для тахогенератора важно, чтобы напря-
•sihic линейно зависело от ор, а его фаза и
фврми не изменились при изменении частоты

(ращения. Иными словами, амплитудные и фазовые погрешности в асин-

•I инпых тахогенераторах должны быть минимальными. Для уменьшения

Вмрсшностей следует делать ротор с повышенным сопротивлением, а

«4ручка, подключаемая к напряжению U„ должна быть высокоомной.

•••• <гом Ur » Ет и ток в выходной обмотке не влияют на характеристи-

•>< с инхронного тахогенератора.

<>дним из важных показателей тахогенератора является крутизна вы-
йч1ной характеристики

Ди

(3.149)

 \1!г — изменение выходного напряжения; Дп — изменение частоты
(ращения.

Чем больше крутизна выходной характеристики, тем точнее будет рабо-
MI система автоматического управления. Однако увеличение крутизны вы-
йиой характеристики без увеличения габаритов тахогенератора влечет уве-
вне амплитудной и фазовой погрешностей. Поэтому при проектировании
Ммиснераторов приходится увязывать крутизну выходной характеристики с
 |н-шностями. У точных асинхронных тахогенераторов к = 1-г-З мВ/(об/мин),
। пхогенераторов следящих систем к=6-И 0 мВ/(об/мин).

11ри питании обмотки возбуждения аг£ постоянным током при по-
МЩЦИЮЙ частоте вращения напряжение UT будет равно нулю, а при нали-
М»и ускорения dn/dt ЭДС на обмотке Шр изменяется согласно (3.132)
^иишрционально ускорению. В этом режиме асинхронный тахогенератор
(мнчея датчиком ускорения.

В системах синхронной связи и для преобразования угла поворота в
лирический сигнал применяются сельсины и поворотные (вращаю-
и) трансформаторы.

I рехфазные сельсины конструктивно не отличаются от асинхронных
MHiiiiii с фазным ротором. В однофазных сельсинах имеется однофазная
Приемник	Iс	Датчик

Рис. 3.110. Схема индикаторной синхрон-
ной связи

обмотка возбуждения и rj*
фазная обмотка синхрона
ции. Поворотные трансфол
торы — двухфазные а,
хронные двигатели с фа пи
обмоткой на роторе, вывел
ной на кольца. Так как сел
сины и поворотные трансф..
маторы выполняют фунмя
датчиков и приемников в л
ройствах автоматичен |
управления, при .фоектирп.
нии их основное внимт
должно быть уделено во
сам точности и надежност

Сельсины применяют в системах синхронной связи двух видов < н
хронного поворота (передачи угла) и синхронного вращения (электри"
ского вала).

Системы передачи угла в свою очередь можно разделить на и
дикаторные системы синхронной связи, в которых момент conpcr'ii
ления на ведомой оси мал или отсутствует, и на трансформатор.)
системы синхронной связи, когда на ведомой оси имеется момеп i <
противления.

На рис. 3.110 представлена схема индикаторной синхронной связи. 
схема включает в себя два одинаковых однофазных сельсина и линию см
Обмотки возбуждения сельсина-датчика аувл и сельсина-приемника wB п П|
соединены к одной сети, а концы фаз обмоток роторов сельсинов — I
мотки синхронизации — через контакторные кольца и линию свя.и (
единены между собой. При повороте ротора сельсина-датчика на угол I
ротор сельсина-приемника стремится повернуться на такой же угол, 11|
ад * ап возникают токи 1А, 1В, 1С, создающие момент в селм нм
приемнике и сельсине-датчике.

Уравнительный ток в фазах обмотки синхронизации определяет1 ч

где ДЕ — ЭДС, определяемая углом поворота сельсина-датчика; ц I
сопротивление фазы сельсина (для датчика и приемника одинаковые)

В результате взаимодействия уравнительных токов с пульсирую!
полем обмоток возбуждения сельсинов возникает синхронизируй >и»
момент, который при изменении угла рассогласования изменяется ро 
Датчик

Рис. 3.111. Трансформаторная система связи

|| । «идальнему закону. Син-
•(4»iii тирующий	момент

|.<(и11|ожен к сельсину-дат-
а сельсину-приемнику.
Трансформаторная сис-
»ми связи состоит из сель-
)Н11Н датчика, сельсина-при-
риика, линии связи, усили-
*•«•« .V и исполнительного
••in в геля ИД (рис. 3.111).

нпцнительный двигатель
I.... линей с нагрузочным ме-
। .Шимом, который имеет
lAp.i । пую механическую
н*н. с сельсином-приемником. Обмотка возбуждения сельсина-Датчика
। и* точена к однофазной сети переменного тока и создает пульсирую-
щ>< магнитное поле. Пульсирующее магнитное поле наводит в обмотке
интронизации датчика ЭДС, под действием которых в линии связи и
•hmoikc синхронизации приемника постоянно протекают токи. Эти токи
iiinior в сельсине-приемнике пульсирующее магнитное поле, направле-
•». которого зависит от взаимного расположения роторов приемника и
1'шка. Сцепляясь с обмоткой возбуждения приемника, это поле наводит
• 1< — выходное напряжение приемника. Последнее подается на усили-
ли,. п затем на обмотку управления исполнительного двигателя, который
•1(м11,1и.[вает заданный датчиком угол и возвращает ротор приемника в
Ьыижепие, при котором выходное напряжение становится равным нулю,
мин- положение роторов сельсинов называется согласованным.

II целях повышения качества работы системы синхронной связи час-
lb 1ГШ.СИНЫ выполняются без скользящих контактов (рис. 3.112). Статор
t tn । контактного сельсина практически не отличается от статора обыч-
ка11 in инхронной машины. В пазах статора располагается соединенная в
•»шу грехфазная обмотка синхронизации 6. Ротор 2 бесконтактного
. и < ина двухполюсный и разделен немагнитным промежутком 7 на две
W> in Однофазная обмотка возбуждения 5 выполняется в виде двух He-
ki iniiiKHbix кольцевых катушек, расположенных между лобовыми частя-
lb « намотки статора и тороидами 3. Наружные цилиндрические поверхно-
kt* н»|юидов связаны внешним магнитопроводом 4. Между внешним
^инпопроводом и пакетом статора имеется немагнитный зазор. Путь
• ни । пого потока, создаваемого обмоткой возбуждения, показан на рис.
Ill 11отокосцепление обмотки возбуждения с той или иной фазой об-
» и и синхронизации зависит от положения ротора, так же, как и в кон-
!• ।ним сельсине.
Главным требованием к сельсинам, работающим в системах ^инхронпив
связи, является точность, которая характеризуется погрешностью

Д0 = em»xl+em»x2 ,	(3.! 3 I >

2

где 0тах1, 0^2 — максимальные положительное и отрицательное отм"
нения ротора приемника от ротора датчика при повороте на один оборот.

В зависимости от значения Д0 сельсины делят на четыре клас
точности. Для первого класса Д0 не более ±30 с, а для четвертого — 
более ±90 с.

Системы синхронного вращения заменяют механическое соедини и
двух или нескольких синхронно перемещающихся механизмов. Элек 
ческий вал применяется там, где необходимо иметь синхронное врапд Л
механизмов, находящихся на большом удалении друг от друга, а мехач
ческое соединение нежелательно или невозможно. Электрическим 
состоит из асинхронных машин с фазным ротором, контактные кочы »
которых соединены между собой (рис. 3.113). При рассогласовании р*1
ров двигателей, так же, как и в схеме с сельсинами, возникают в стат
двигателей уравнительные токи и электромагнитные моменты, всзв|.
щающие роторы в согласованное положение.

Поворотные (вращающиеся) трансформаторы применяются в сш II
мах автоматического управления для преобразования механического 
ремещения — угла поворота ротора в выходное напряжение. Конец) •
тивно они представляют собой двухфазные двигатели с двухфаик
Ь'ихкои ротора, выведен-
ии на контактные кольца.

»( нностью их конструк-
ции является тщательное вы-
тшнсние магнитной систе-
мы и обмоток, в результате
«ю уменьшается число про-
цшнственных гармоник, что
«Лсспечивает высокую точ-
№>< п> поворотных транс-
форматоров.

11оворотные трансфор-

Рис. 3.113. Электрический вал

(мюры используются в ка-

w». iiie синусных поворотных трансформаторов, в которых w = [/msina;

tiiuvciio-косинусных поворотных трансформаторов, в которых
f/„,sina,wB =t7mcosa; линейных поворотных трансформаторов, в

цнорых U -ка.

1(оборотные трансформаторы также используются как построители и
ф*!И1.ращатели. Они могут заменять сельсины. Благодаря тому, что пово-
зные трансформаторы — симметричные машины, в них достигается
лыиая точность, чем в сельсинах [15].

Схема включения синусно-косинусного поворотного трансформато-
нгказана на рис. 3.114. При повороте ротора поворотного трансформа-

। г и обмотке А наводится ЭДС, изменяющаяся по закону синуса, а в
moiкс В — по закону косинуса.

Н» 3.114. Синусно-косинус-
х« поворотный трансформа-

Если в поворотном трансформаторе
используется одна обмотка на роторе, та-
кой поворотный трансформатор называет-
ся синусным поворотным трансформатором.

При определенном соединении обмо-
ток и значении параметров обмоток мож-
но в значительном диапазоне изменения
угла получить линейное изменение
(7 = /(а). Такие поворотные трансфор-
маторы называются линейными поворот-
ными трансформаторами.

По максимальной погрешности (от-
клонению от синусной или линейной за-
висимости от угла а и ряду других показа-
телей) поворотные трансформаторы делят
на шесть классов точности. В высокоточ-
ных поворотных трансформаторах погрешность не превышает нескол»
ких секунд.

Особое место среди асинхронных машин, применяемых в системы
автоматического управления, занимают электрические машины гиросю
пических систем. Они являются основой навигационных систем, с их и»
мощью осуществляется стабилизация различных космических объектов

Асинхронные гиродвигатели выполняются с короткозамкнутым ри
тором. Это — обращенные машины. Внешний ротор обеспечивает бон-
ший момент инерции, который определяет большую равномерность чи»
тоты вращения. Частота вращения в несколько десятков тысяч оборок» •
минуту достигается за счет повышенной частоты напряжения питании
до 400—2000 Гц [2,11].

3.22. Серии асинхронных двигателей

Асинхронные двигатели выпускаются в виде единых серий, кот<>|м
практически обеспечивают все основные потребности при комплекта»
нии электроприводов для всех отраслей народного хозяйства. Асинхри
ные двигатели являются основными двигателями для большинства |л
троприводов. Они потребляют около половины вырабатываемой элекф
энергии. При этом наибольшее количество электроэнергии потреблю
двигатели мощностью до 10 кВт. Поэтому технико-экономические ш>»
затели двигателей единых серий, охватывающих этот диапазон моши
стей, имеют важное значение для экономики страны [12].

Единая серия асинхронных двигателей 4А, которая выпускает-,
1973 г., включает двигатели мощностью от 0,06 до 400 кВт. Стандарт"
шкала мощностей (см. табл. 3.1) применяется для всех модификаций л
гателей. Двигатели мощностью от 0,06 до 0,37 кВт выполняются ни я
пряжение 220/380 В, мощностью от 0,55 до ПО кВт — на напряжет
220/380 и 380/660 В, мощностью от 132 до 400 кВт на напряж м
380/660 В. Количество выводных концов шесть, соединение A/Y.

Помимо основного исполнения в серии 4А имеется целый ряд >
диализированных исполнений: тропическое, химическое, на часто iy <
Гц, сельскохозяйственное, текстильное и др. Выпускают двигатели с
вышенным пусковым моментом, повышенным скольжением, малопм
ные, многоскоростные и встраиваемые.

Выпускаются двигатели специализированные по конструкции 4
встроенным электромагнитным тормозом, температурной зашил
встраиваемые, с повышенной точностью по установочным размерам, 
лошумные, высокоточные.
В основном исполнении двигатели выполняются с короткозамкну-
itiM ротором и предназначаются для применения в условиях умеренного
шмата. Двигатели изготовляются защищенными (1Р23) и закрытыми
вдуваемыми (1Р44). Обозначение типов двигателей расшифровывается
И дующим образом:

4—порядковый номер серии; А—асинхронный; Н — исполнение по
ичобу защиты от окружающей среды (Н — защищенное, отсутствие
Iвы — закрытое обдуваемое); следующая буква — обозначение испол-
•« пня ротора (К — ротор фазный, отсутствие буквы — ротор коротко-
«мкпутый); затем — исполнение двигателя по материалу станины и щи-

(Д — станина и щиты алюминиевые, отсутствие буквы — станина и
н“пы чугунные). Далее указывается высота центров, за ней установочный
(м «мер, число полюсов и климатическое исполнение и категория размещения.

11апример, 4АА63А6УЗ — асинхронный двигатель серии 4А, закры-
 обдуваемое исполнение со станиной и щитами из алюминия, с высо-
»>•! оси вращения 63, магнитопровод первой длины шестиполюсный, для
(•Ионов умеренного климата, третьей категории размещения.

Всего в серии 4А свыше сотни типоразмеров двигателей. Техниче-
|«и. данные нескольких двигателей серии приводятся в табл. 3.4 лишь
«и 1и5щего представления об их технико-экономических показателях [12,14].

Таблица 3.4

Гип ниш отеля	Мощ- ность, кВт	Частота вращения, об/мин	кпд	COS ф		м„ мт	§  1 !•	4  А ЮМ	Масса, кг
АА16А2УЗ	0,18	3000	0,66	0,76	2,2	2,0	1,2	5,0	4,5
АНИМУЗ	4,0	1500	0,84	0,84	2,2	2,0	1,6	6,5	42
А ИО-l УЗ	22,0	1500	0,90	0,90	2,2	1,4	1,0	7,0	175
А1ЮМ6УЗ	55,0	1000	0,91	0,89	2,0	1,2	1,0	7,0	535
М1И5М8УЗ	200	750	0,94	0,86	1,9	1,0	0,9	5,5	1350

< ерия 4А заменила серии асинхронных машин А2 и АО2, которые
пши кались с 1960 г. В настоящее время двигатели этих серий выпуска-
пт и небольших количествах.

<' учетом технического прогресса мирового электромашиностроения
| нн< и>ящее время выпускаются двигатели серии 5А. Планируется при-
«•||<инс облегченных корпусов из высокопрочных алюминиевых спла-
й"' Дня повышения КПД применяется сталь марки 2212, не требующая
• hi и после штамповки и имеющая меньшие удельные потерн. Приме-
рни< подшипников с постоянно заложенной смазкой и улучшенными
*»> 'Нисскими характеристиками повышает надежность двигателей и
»нс г уровень шума.
В 1982 г. создана новая унифицированная серия асинхронных двш
телей АИ, у которых по сравнению с серией 4А выше КПД, надежное!
снижена материалоемкость, уменьшены шумы и вибрации.

Серии 4А, АК4, ДАЗО4 с высотами оси вращения 400 и 450 мм я
ляются составной частью унифицированной серии Интерэлектро. Cepi
включают в себя 62 типа высоковольтных асинхронных двигателей с м
роткозамкнутым и фазным роторами мощностью от 200 до 1000 кВт, чй
тотой вращения 3000—500 об/мин, со степенями защиты 1Р23 и 1Р44.
двигателях серии обеспечена высокая степень унификации, позволяют!
получить различные модификации двигателей по назначению, спосо
охлаждения и защиты. Двигатели соответствуют высшей категории кы
ства. Двигатели серии АН 14—18-го габаритов имеют диапазон мощи
стей от 200 до 2000 кВт при частотах вращения 250—1000 об/мин и
пряжении 6 кВ. Электродвигатели с короткозамкнутым (серия АН) и
фазным роторами (серия АКН) имеют открытое исполнение.

Для работы в крановых и металлургических электроприводах выну
каются трехфазные асинхронные двигатели серий MTF и MTKF и МТЙ
МТКН. Крановые асинхронные двигатели серий MTF и MTKF характер
зуются кратковременным и повторно-кратковременным режимами pai
ты и большими перегрузками. Металлургические двигатели серий МТИ
МТКН предназначены для приводов металлургического производен
работающих при повышенных температурах. У электродвигателей сер»
MTF и МТН фазный ротор, а серий MTKF и МТКН — короткозамю
тый. Двигатели имеют кратность максимального момента, равную 2,Зи
3,2. Мощности двигателей от 1,4 до 37 кВт, напряжение сети 380/220 В.

В больших количествах асинхронные двигатели используются в б|
товых приборах.

В табл. 3.5 представлены технико-эконономические данные несколыл
однофазных модификаций серии 4А,/ = 50 Гц. Конденсаторные однофазны
двигатели серии АКД выпускаются с пусковой и рабочей емкостью.

Таблица 1

Тип двигателя	Мощ- ность, Вт	Частота враще- ния, об/мин	Напря- жение, В	кпд	coscp		ч	4	Емкость конден- сатора, мкФ		Мас я кг
								Аюм			
									Ср	с„	
4АХУТ7182	750	2780	220	0,66	0,95	1,7	1,5	5,5	82	200	14.1
4ААЕ63В2	250	2760	220	0,62	0,75	1,7	0,8	8,5	39	60	6
4ААУ63В4	180	1380	220	0,47	0,65	1,5	1	4,5	33	40	6
4ААТ56А4	90	1390	220	0,53	0,9	1,6	0,4	4	12	50	4.J
4ААУ50А4	25	1370	220	0,23	0,51	1,6	2,2	2,5	6	10	3.0
Исполнение двигателей закрытое
!Н4 и по способу охлаждения—обду-
ц»мое ICO 141, режим работы про-
«ли^ительный, класс нагревостойко-
двигателей В. Серия включает 64
ншоразмера двигателей. Расшифровка
чишния двигателей: 4А — порядко-
вый номер серии асинхронных двига-
||сй, далее материал корпуса (А —
иоминиевый сплав, X — чугун),
h«ii д| игателя (Т — с рабочим кон-
*|ца.ором, УТ — с рабочим и пус-
tiiniJM конденсаторами, Е — с пус-
ковой фазой).

Рис. 3.115. Конденсаторный двига-
тель

Дш привода бытовых приборов (звукозаписывающая аппаратура,
нрргмотка ленты, контролвно-кассовые аппараты, центрифуга, фреоно-
• й компрессор) применяются асинхронные конденсаторные двигатели
>«1»ш КД. Эти двигатели выпускаются на напряжение 220 В,
I - 50 Гц, мощности от 2,5 до 50 Вт, КПД = 0,15-5-0,6, coscp = 0,87-5-0,95,

га 0,75—2,4 кг (рис. 3.115).

Широко применяются двигатели общего назначения серий АОЛ,
АНГ Серия АОЛ выпускается на мощности 30—400 Вт, АВЕ — на мощ-
щи ги 18—400 Вт.

’'питатели с повышенным активным сопротивлением в пусковой об-
»1кс (рис. 3.116) используются в приводе герметичного компрессора

Гш 3.116. Асинхронный микродвигатель
бытовых холодильников. Эти двигатели предназначены для работы в q
де хладона-12 и фреона-22 и рефрижераторного масла. Эти двигать
выпускаются на мощности от 60 до 150 Вт на 300 и 1500 об/к ин, КПД
0,54-0,7, coscp = 0,564-0,62. Расход активных материалов 0,027—0,057 кг/В i

Универсальные асинхронные двигатели серии УАД — г ехфаш
асинхронные двигатели с распределенной обмоткой на статоре. Они mi
гут работать при включении в трехфазную сеть 220 В при соединят
обмоток статора в звезду и от однофазной сети 220 В при включении fl
бочего конденсатора в свободную фазу сети.

Двигатели серии УАД имеют мощность от 1 до 70 Вт при напрч I
нии 220 В и синхронной частоте вращения 150С и 3000 об/мин. Это дин
гатели закрытого исполнения. Они предназначены для работы при тем.1
ратуре от -60 до +85 °C. Уровень звука на расстоянии 1 м от корп} к
45—70 дБ. Двигатели серии имеют семь типоразмеров, выполненных w
четырех диаметрах статора. Технические данные микродвигателей серн
УАД приведены в табл. 3.6.

Таблица II

Тип двигателя	Мощ- ность, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД	COS ф		м.	4 Л™	Ма»ч *  hl
					Мж			
УАД-12	1	2750	0,10	0,7	2	0,5	2	о,л
УАД-42	10	2750	0,44	0,8	1,5	0,3	3,2	о.м
УАД-64	20	1280	0,40	0,5	1,5	1,5	3,0	1.5
УАД-74	30	1280	0,50	0,5	1,5	1,5	3,5	l.'J^

На частоту 400 Гц выпускаются асинхронные двигатели серин Д/-1 '
рия включает двигатели на мощности от 10 до 10 000 Вт, напряжение 220 И *
частоты вращения 10 800, 7500 и 5600 об/мин. Масса двигателей 0,15 I
кг. Режим работы двигателей продолжительный, температура окружав и ей
среды от 60 до 100 °C при пониженном атмосферном давлении [12].

Разработана единая унифицированная серия бытовых элсктроцшп I
телей мощностью 0,6—180 Вт. В серии предусматривается прогрессиннЦ
технология, позволяющая автоматизировать большинство трудосмж
процессов изготовления машин [1].

После распада СССР в России осталось, примерно, 30% мощное 1>«
заводов, изготавливавших асинхронные двигатели единых серий. !•< пн •
СССР электромашиностроительные заводы выпускали двигатели дпуе
трех высот вращения, что обеспечивало возможности высокой автомп.»
зации процессов производства, то теперь на оставшихся заводах iicoflfl
димо выпускать машины большинства габаритов.
Ярославский электромашиностроительный завод освоил выпуск се-
1<пи КА — Российская асинхронная, охватывающая машины от 120 Вт до
ИЮ кВт, соответствующие международным стандартам CENELEC и
IHN [14].

Владимирский электромоторный завод выпускает серию асинхрон-
н|.1ч двигателей серии 5А до 1000 кВт.

11а изготовление асинхронных двигателей идет наибольшее количе-
С шектротехнической стали и обмоточных проводов. Оптимальное
н|н><-кгирование и рациональная эксплуатация асинхронных двигателей
*м*сг важное значение для народного хозяйства [7].
Глава четвертая

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

4.1.	Режимы работы синхронных машин

В синхронных машинах угловая скорость ротора равна синхронной
угловой скорости поля Гор = юс. Из модели обобщенной электрической
машины синхронные машины можно получить, если к обмоткам статоре
подвести переменные токи, а к обмоткам ротора — постоянный ток (см
рис. 1.28). Процессы преобразования энергии происходят так же, если *
обмотках ротора протекают переменные токи, а на статоре находятся о< >
мотки, в которых протекают постоянные токи. Такие машины называю I
ся обращенными. Обращенные машины находят меньшее применен иг
так как мощность возбуждения значительно меньше мощности машины и
удобнее силовые обмотки располагать на неподвижной части.

Рис. 4.1. Испытательный стенд крупных машин АО «Электросила». Нагруюч
ные турбогенераторы 1000-2
Рис. 4.2. Красноярский гидрогенератор Р = 500 МВт, U= 15,75 кВ, и = 93,8 об/ми#

Как и во всех электрических машинах, поля статора и ротора в с®
чронных машинах неподвижны относительно друг друга, а так как вс^
могках ротора протекают постоянные токи (f2 = 0), поля статора и роЯ(
неподвижны относительно ротора.

Синхронные машины работают в трех режимах: генераторном, Я
। in i ельном и в режиме синхронного компенсатора.

Наиболее распространенным режимом работы синхронных маЯ
питается генераторный режим. Без преувеличения можно а азать, 4,J
почти вся электрическая энергия на Земле вырабатывается синхроннА,
машинами. Синхронные генераторы — самые мощные электричек
Мишины, созданные человеком. На тепловых и атомных электростан1?и>
«ксплуатируются турбогенераторы мощностью 1200 МВт на 3000 об/^
и 1600 МВт на 1500 об/мин.

Турбогенераторы — неявнополюсные быстроходные электричек1
машины. Они имеют диаметр ротора 1,2—1,25 м и длину активной чЯ)
111гора около 7 м. В турбогенераторах достигнуты наивысший КПД
п| .пцающихся машин, примерно равный 99%, и масса на единицу моИ>н,
। in, равная 0,456 кг/(кВ-А) (рис. 4.1). Гидрогенераторы — явнополюс®;
। доходные электрические машины. Диаметр ротора Красноярского гидр011.
ii‘ p.iTopa мощностью 500 МВт равен 16,1 м, высота сердечника — 1,7^
КПД—98,2%. Масса Красноярского гидрогенератора 1650 т (рис. 4.2).

Основными турбогенераторами на ТЭЦ в бижайшие годы будут fll,
енераторы мощностью 300, 500 и 800 МВт.
Синхронные генераторы для дизель-генераторных установок имскч
мощность от сотен до десятков тысяч киловатт. Выпуск автомобильных 
тракторных генераторов мощностью сотни ватт и несколько килонап
достигает десятков миллионов штук в год.

В режиме двигателя синхронные машины используются в качеснц|
приводных двигателей мощных насосов, вентиляторов, воздуходунох
Предельная мощность синхронных двигателей достигает нескольких iti
тен мегаватт.

Синхронные микродвигатели широко применяются в различен
электроприводах. В больших количествах выпускаются двигатели, в |
торых для создания поля возбуждения применяются постоянные магнщы
Синхронные двигатели мощностью в десятки киловатт выпускаются и
небольших количествах из-за плохих пусковых свойств и склонное!и »
качаниям.

Одним из основных достоинств синхронных машин является то, чт
они могут быть источниками реактивной мощности. Если асинхронны»
машины для создания поля потребляют из сети реактивную мощность, Н
синхронные машины в зависимости от степени возбуждения выдаю! »
сеть или потребляют из сети реактивную мощность.

Синхронные машины, работающие в режиме генераторов или по гр»
бителей реактивной мощности, называются синхронными компенсатор*
ми. Для повышения динамической устойчивости энергосистем и пои
шения качества электроэнергии необходимо выпускать синхронные ком
пенсаторы примерно в таком же количестве, что и синхронные генеря н«
ры. Синхронные компенсаторы выполняются на базе явно- и неявноич
люсных синхронных машин.

Как и все электрические машины, синхронные машины обратимы. I
настоящее время для гидроаккумулирующих станций выпускаются ши
роагрегаты, которые при избытке электроэнергии в системе работаю! »
качестве насосов, закачивая воду из нижнего бьефа плотины в верхний, •
при пиках нагрузки в системе — в качестве гидравлической турбины, ко-
торая вращает генератор, вырабатывающий электроэнергию. В этом ом
чае одна и та же синхронная машина используется в генераторном и дни
гательном режимах.

Как правило, синхронные генераторы и двигатели эксплуатирую™» 4
cos<p = 0,8-ь0,9. При этом реактивная энергия поступает в сеть, если с и И
хронная машина работает при перевозбуждении.

Турбогенераторы выполняются с горизонтальным валом на часн»||
вращения 3000 и 1500 об/мин. Гидрогенераторы — тихоходные машины
как правило, с вертикальной осью вращения. Гидравлическая турбин»
располагается под гидрогенератором и соединяется с ним фланцепы-
соединением. Гидрогенераторы по габаритам значительно больше тур«ч»
370
(гнсрагоров. Конструктивные части гидрогенератора занимают большой
•tin-м Опорный подшипник воспринимает массу ротора, гидравлической
1>(>пны и напор столба воды. Так, сила давления на подпятник в гидро-
r in-pa горе, имеющем мощность 225 МВт, составляет 3,5-107 Н. Вместе с
in |р.|нлическойтурбиной высота агрегата состайляет 25—30 м.

Первые городские и районные электростанции появились в начале
пн 11аровая турбина была соединена с турбогенератором в 1899 г.

11осле революции выработка электроэнергии в СССР увеличилась в
Нин» раз. Такой рост производства электроэнергии был обеспечен за счет
1*011 и единичной мощности турбо- и гидрогенераторов.

Мощность турбогенераторов за последние 30—40 лет, практически,
и к же габаритах увеличилась в 10 раз. Это одно из самых крупных на-
ших достижений второй половины XX в. Это увеличение мощности
itiiiio достигнуто за счет форсированного охлаждения машин. Примене-
ние ппутреннего водяного охлаждения обмоток и магнитопровода позво-
wi । довести мощность турбогенераторов свыше 2000 МВт.

В 1923 г. завод «Электросила» выпустил для Волховской ГЭС гидро-
। и* ритор мощностью 7 МВт и частотой вращения 75 об/мин. На Днепро-
I и с и 1934 г. были установлены гидрогенераторы мощностью 63 МВт и
Чи1 иной вращения 88,2 об/мин. После войны для волжских ГЭС были
him |роены гидрогенераторы мощностью 125 МВт и частотой вращения
об/мин. Братские гидрогенераторы, выпущенные в 50-х годах, имеют
Мощность 225 МВт и частоту вращения 125 об/мин. Красноярская маши-
не р.иработки 60-х годов имеет мощность 500 МВт и и = 93,8 об/мин.
I  ш-pa горы для Саяно-Шушенской ГЭС — одни из самых мощных в ми-
।	(*40 МВт (720 МВ-А) при частоте вращения 142,8 об/мин.

Н ближайшие годы будут созданы еще более мощные гидрогенера-
Ч1|п.| I [редельная мощность гидрогенераторов лимитируется мощностью
гниро шектростанций.

< ннхронные машины благодаря их преимуществам перед асинхрон-
iuimii находят новые применения, и их выпуск и области применения с
• <*И1.1М годом расширяются.

Согласно ГОСТ и стандартам на турбо-, гидрогенераторы и син-
l«iiiiii.ie компенсаторы к числу номинальных данных, выбиваемых на
itfuiii'iKe, укрепленной на корпусе машины, относятся:

поминальная мощность (для генераторов и компенсаторов — полная
••ниность в киловольт-амперах, для двигателей — мощность на валу в
• н'|||||.1гтах);

номинальный коэффициент мощности (при перевозбуждении);

поминальный КПД (для двигателей);

схема соединений обмоток;

поминальное (линейное) напряжение, В;
частота вращения, об/мин (для гидрогенераторов указывается п
угонная частота вращения);

частота тока якоря, Гц;

номинальный линейный ток якоря, А;

номинальные напряжения и ток обмотки возбуждения.

На щитке указывается также завод—изготовитель машины и год им
пуска.

4.2.	Процессы преобразования энергии
в синхронных машинах

Схема неявнополюсной синхронной машины основного исполнеши
представлена на рис. 4.3, а. Обмотка якоря 1 расположена в пазах стат
ра, а обмотка возбуждения 2 — на роторе. Демпферной обмоткой явля
ются пазовые клинья и стальной массивный ротор 3. Мощность возбуа
дения составляет несколько процентов мощности машины, поэтому
этом исполнении щеточный аппарат работает надежно, а так как в обмен
ке возбуждения протекает постоянный ток, для его подвода требую к
два кольца и две щетки.

В обращенной конструкции (рис. 4.3, б) обмотка якоря 1 расположена
вращающейся части, а обмотка возбуждения 2 — на статоре. Демпферия
обмотка 3, представляющая собой медные сварные шины, укладывается
пазах полюсных наконечников и создает короткозамкнутые контуры в iijx
дольной и поперечной осях машины. Для наглядности обращенная констру»
ция дана в виде явнополюсной конструкции, которая в таком исполнении /и*
лее распространена. Недостатком обращенной конструкции является налим»
щеточного аппарата, рассчитываемого на полную мощность машины,
крупных синхронных генераторах обращенная конструкция не применяет

Рис. 4.3. Основные конструктивные схемы выполнения синхронных машин
hi 111 невозможности выполне-
нии i окосъемного устройства.

11ростейшую модель син-
«|чн1ной машины можно по-
чин и. из модели обобщен-
нчд машины, если (ор = сос.

ш.чронные машины имеют
ни роторе демпферную об-
MioKy и обмотку возбужде-
нии Поэтому синхронную
(ииинну без учета вихревых
пит необходимо рассмат-
|чцн1ть как машину с одной
1ПМО1КОЙ на статоре и двумя
шмигками на роторе. На рис.
। I приняты обозначения: wd

Рис. 4.4. Модель синхронной машины

« u‘,t — обмотки якоря по оси d и q, ud и uq — напряжения, приложенные
ним обмоткам; w^, w4 — демпферные обмотки по осям dnq (обычно
ни короткозамкнутые обмотки и напряжения на них равны нулю); и
— обмотки возбуждения; — напряжение обмотки возбуждения.

()бмотка возбуждения в синхронных машинах выполняется в одной
и как правило, по продольной оси. При расположении витков по одной
1“ и достигается экономия меди, а процессы преобразования энергии в
I шише при этом не изменяются (рис. 1.3, а).

Чтобы в уравнениях было меньше членов, содержащих ЭДС вращения,
ияшее рассматривать обращенную машину с вращающейся обмоткой якоря
|рш 4.5). Процессы электромеханического преобразования энергии происхо-

Гм< 4.S. Модель обращенной син-
•||<>||||ой машины

дят в воздушном зазоре, поэтому они не
изменяются от того, вращаются или
неподвижны обмотки. Важно относи-
тельное перемещение обмоток.

При составлении уравнений син-
хронных машин удобнее записывать
их в системе координат d, q, связан-
ных с обмотками ротора. Наблюда-
тель, располагаясь на роторе маши-
ны, «видит» в воздушном зазоре не-
подвижное относительно ротора маг-
нитное поле, созданное переменными
токами обмоток статора. Картина не

изменится, если остановить ротор и
магнитное поле. Чтобы в затормо-
женной машине токи остались теми же, что и во вращающейся машин*,
надо ввести ЭДС вращения в обмотки якоря, а частоту токов сделать |ш*
ной нулю. Система координат d, q для синхронных машин удобна, так » •
моделирование осуществляется на постоянном токе.

Для схемы синхронной машины с приведенными обмотками (рис. 4 1
может быть записана следующая система уравнений напряжений:

ud=~-^^v+raid-,
dt

«4=-^-+^r+rai4;

u, = —^ + rfif;

J dt

0 = ^
dt

бЛР

0 = —
dt



од од’

где ra —активное сопротивление обмотки якоря; г?— активное сопротив гни*
обмотки возбуждения; r^/,	— активные сопротивления демпферной o(>mi

ки по осям d и q\ id и i4 — токи в обмотках якоря по продольной и поперечь
осям, if—ток в обмотке возбуждения; и — токи в демпферной обмя
по продольной и поперечной осям машины; <Вр=<вс—угловая скорость рок>|«

Потокосцепления обмоток в (4.1) определяются в виде

~ Ldid + Madij +	;

= Lf4	+ ModiBd'-> 

= Auf l'rar + Madid + Madif;

H Л

Здесь Ld, Lq — индуктивности обмоток якоря по продольной и ион
речной осям машины; Lf— индуктивность обмотки возбуждения; Lai I4
индуктивности демпферной обмотки по продольной и поперечной 1к и*
машины; Mad, Ма9 — взаимные индуктивности между обмотками по иц»
дольной и поперечной осям.

Как и во всех машинах, полная индуктивность равна сумме взаимной
индуктивности и индуктивности рассеяния; L = М + La. При этом щч ‘
полагается, что есть общий поток по продольной и поперечной осям м
шины, сцепленный со всеми обмотками, и у каждой обмотки есть пои»и
рассеяния, сцепленные только с одной обмоткой.
'иектромагнитный момент определяется через токи

W3M = M(ifiq + iqi„, -	,

(4-3)

Л / Mad = Mag, что имеет место в неявнополюсной машине.

Ч'-рез потокосцепления и токи электромагнитный момент определя-
ли ледующим образом:

<4-4)

11ри определении момента для явнополюсной машины необходимо
•iiiii.maTb реактивный момент, который появляется за счет различия маг-
ии пи.i с проводимостей в продольной и поперечной осях.

( овокупность уравнений напряжений (4.1) и уравнения момента (4.3)
ими (4.4) описывает процессы электромеханического преобразования
|и»рг ни в синхронных машинах.

Уравнения синхронной машины можно преобразовать, подставив, в

I)	шачения потокосцеплений (4.2):

«./ = Ldltid +М™	+raid’

""= Lq7ti4+м°ч ++++ГЛ;

г d . d , d .

"f = Lf ~dtlf+M^d ~dttd+Mad Л+r/,/;

„ r	d .	d .

=	~7,+ M°d+	7'/	+

at	at	at

—	+	— iq +	•

(4-5)

Уравнения (4.5) синхронной машины сложнее уравнений асинхрон-
>< <И м.< пины. Их можно упростить, если рассматривать синхронную ма-
хин без демпферной обмотки. Демпферная обметка в установившемся
, ♦ име влияет на качания, демпфируя колебания ротора. Без учета демп-
, । и ion обмотки (4.5) имеют вид

«а = Ld —id + Mad —if - Lia + raid;
at at

= L4 + Ldid®,, + Modif^P + rJg ’

T d .	.. d.

Uf^Lf-^tlf+Mod^d+rflf

(4-6)
В (4.6)

L^M^+L^-, Lq=Maq+Lcq', L^M^ + L^,	(4 /|

где Lad, Ь„д и — индуктивное™ рассеяния обмотки якоря по продолык.ц
поперечной осям машины и индуктивность рассеяния обмотки возбужде"'1и
С учетом (4.7) уравнения (4.6) можно записать следующим обра м>м
т	d •	Ч	d	.	d	.

«а = Lad-rtd+^ad-r/d+M^—if -Lqtqap+raid-,
at	at	at

Uq = Laf ltif+M°4 It'4+Ldid&v+Madi/&p+r°z?;

T	d .	tr	d

Uf = af alf+M°d7t{lf+'d)+r,lf'

Представив ЭДС вращения в поперечной и продольной осях

ЕЧ = 1Ч^ '> Ed = ЬЖаГ +	’

получим

«а = Lvd h +Mad^if+id)-E4 + raid>
иЧ-Е^Ч+М«Ч^Ч + ^+Га^

т d . d

uf = L°f -^tlf +	+I^ + rflf

Полученные уравнения описывают переходные и установивши
процессы в синхронной машине без учета демпферной обмотки.

Вводить в (4.8) замену переменных if + id = i не имеет смысла, imH
как в установившихся режимах ток возбуждения в синхронных мапппь»
не зависит от нагрузки и изменяется по произвольному закону. Уравншя
(4.8) больше упростить не удается, а при исследовании динамики слсл*I
работать с (4.5) или (4.8).

Чтобы получить из дифференциальных уравнений синхронной
шины уравнения для установившегося режима, необходимо в (4.8), так
как это выполнялось для трансформаторов и асинхронных машин, зиш
жж	d -> 

нить оператор дифференцирования — <2 ja>.

dt

Без учета демпферной обмотки и с учетом того, что в обмотки
буждения протекает постоянный ток, уравнения для установив!"™ 
режима из (4.5) имеют вид:

Ud = j^Lvdid + faM'did -Eq + raId-,
йч =	++Ed+rj4 
Гак как сопротивление в продольной оси

। оаоотивление в поперечной оси

Рис. 4.6. Синхронная маши-
на как четырехполюсник

хч =^Lcq+&Ma4,

Н" |}'1ИМ

Ud = jxdid-E4 + raid',
Ug = jxgig+Ed+rJg.

(4-9)

Уравнение для контура возбуждения, в котором протекает постоян-
НпП 1ок, с учетом только активного сопротивления обмотки возбуждения
uf=Ifrf.	(4.10)

Уравнения (4.9) и (4.10) описывают процессы электромеханического
нргч(>разования энергии в синхронной машине в установившемся режиме.

Два уравнения (4.9) можно свести к одному уравнению, обратившись
I понятиям результирующих векторов напряжений, токов, потокосцепле-
нии, МДС и потока. Самая простая векторная диаграмма синхронной не-
аьиюлюсной машины — диаграмма Потье — может быть получена,
 ин машину представить в виде четырехполюсника с двумя механиче-
нмн и двумя электрическими выводами (рис. 4.6). Представим внутрен-
< ишротивление синхронной машины zc=ra + jxc состоящим из ак-

)ti»it<iio сопротивления га и индуктивного сопротивления хс =	,

Il «с г,,,, — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки якоря; x^ —
I » л ивное сопротивление реакции якоря. Тогда векторная диаграмма
।  ||ш па обмотки якоря синхронного генератора будет выглядеть так, как
I w .чинно на рис. 4.7. На векторной диаграмме Ео (Ed в (4.9)) — напря-

•’IIIH' фазы при холостом ходе, U — напряжение фазы при нагрузке,

•I 7 Векторная диа-
неявнополюсной

|>|>ННОЙ машины

соответствующей току I и определенному
cos ср. Падение напряжения на внутреннем
сопротивлении машины Izc определяется па-
дением напряжения на активном сопротивле-
нии обмотки якоря га и индуктивном сопро-
тивлении рассеяния обмотки якоря хаа и реак-
цией якоря Ixad.

Вся сложность процессов преобразования
энергии в синхронной машине при простей-
шем математическом описании сводится к
сложной зависимости коэффициента х^ от
тока I. Сопротивление зависит от геометрии машины, насыщешы
реакции якоря и характера нагрузки. Эти сложные связи рассмотрим па
еле изучения конструкции синхронных машин.

4.3.	Конструкции синхронных машин

Конструкция мощных синхронных машин в первую очередь он|нл
ляется частотой вращения. Неявнополюсные синхронные машины
турбогенераторы изготовляются' с частотой вращения 3000 об/мии |
двухполюсном исполнении (р= 1) и 1500 об/мин в четырехполюс
исполнении (р = 2). В синхронных машинах с большим числом полюсов
гидрогенераторах — применяется явнополюсная конструкция ротора.

На рис. 4.8 представлен разрез турбогенератора ТВВ-200-2 Jill н
«Электросила», мощность 200 000 кВт, на напряжение 20 кВ, costp = 0.NI
Турбоагрегат состоит из нескольких машин, соединенных между со0«|
муфтами. Ротор турбогенератора соединяется муфтой с ротором паротм
турбины. Таким образом, получается единый блок паровая турбина
турбогенератор.

600

1450

1450	1610

Рис. 4.8. Турбогенератор ТВВ-200-2:

1 — тахогенератор; 2 — возбудитель; 3 — подшипник; 4 — муфта; 5 — контактные к '<
ца; б — токосъемник вала; 7 — корпус подшипника; 8 — вкладыш; 9 — термоммр й
подшипнике; 10 — термометр на сливе масла; 11 — уплотнение вала; 12 — щит unm
ный; 13 — щит вентилятора; 14 — вентилятор; 15 — газоохладитель; 16 — статор. / ‘ 
ротор, 18 — высоковольтные выводы; 19 — плиты фундамента; 20 — рым-лапы
I’о гор турбогенератора из-
|нп1Н1!яегся из цельных поко-
ен! специальной стали, обес-
м**1ии.нощей хорошие маг-
...... характеристики и ме-

•1н*1ескую прочность при
»• а режимах работы турбоге-
 р.пора. Ротор состоит из
ршицепной части — бочки
тора и хвостовиков (рис.
I >) 11а роторе находятся
нгпктные кольца, с помо-

рие. 4.9. Собранный ротор турбогенератора
ТВВ-800-2

ими которых на ротор пода-

. н ч постоянный ток. На роторе укреплен также центробежный вентилятор
. а охлаждения лобовых частей обмотки возбуждения. Лобовые части об-
«tikii возбуждения закрепляются бандажами из прочной немагнитной стали.

На наружной поверхности бочки ротора (рис. 4.10) фрезеруются па-
н. прямоугольной или трапецеидальной формы 1, в которые укладывает-
 рщ пределенная обмотка возбуждения. Обмотка занимает примерно 2/3
Рис. 4.10. Расположение пазов на
роторе турбогенератора

поверхности ротора. Оставшаяся часц
зубцовой зоны образует большие зуСн
магнитопровода 2. На больших зубам
могут располагаться пазы без обмош»
или в этой зоне пазы не фрезеруются.

Обмотка ротора состоит из групп!
катушек различной длины и ширины
Катушки наматывают полосовой Me
дью. В крупных турбогенератору
применяют медь, легированную серо >
ром, обладающую повышенной мех*»
нической прочностью. Схема соединении
катушек ротора показана на рис. 4.11.

Выполнение обмотки ротора зави-
сит от системы охлаждения. В турбо-

генераторах применяется косвенное охлаждение, непосредственное внуь
реннее охлаждение водородом или водой. При непосредственном ввуг«
рением охлаждении проводники имеют внутренние каналы, по которым
проходит водород или вода. Тепло от меди отбирается непосредственен
водородом или водой и отводится из активной зоны машины. При кос*
венном охлаждении тепловая энергия проходит через изоляцию обмотки
а затем отдается стальным частям машины и водороду, заполняющему
внутренний объем турбогенератора. В настоящее время косвенное охли»
ждение применяется в турбогенераторах мощностью до 100 МВт.

В турбогенераторах, в основном, применяется внутреннее водят-
охлаждение обмоток статора и внутреннее водородное охлаждение обмо-
ток ротора. С такой схемой охлаждения выпускаются турбогенераторе
серии ТВВ вплоть до мощности 1200 МВт. Изготовлены и находятся i
эксплуатации турбогенераторы с внутренним водяным охлаждением об

моток статора, ротора и магнитопровода.

При косвенном охлаждении секции обмотки ротора 1 (рис. 4.12, а) 1
крепляются в пазу клином 2 из дюралюминия повышенной прочности, ctjj
или бронзы. Витковая изоляция 3 выполняется из миканитовых прокладо

закрепленных стеклолентой.
Корпусной изоляцией 4 явля-
ются пазовые коробки из мика-
нита или стеклянной ткани.
Коробка имеет защитную обо-
лочку из тонкого листа стали.
Перед заклиновкой обмотки в
паз поверх коробки укладыва-
ется миканитовая прокладка 5.

Рис. 4.11. Схема обмотки возбуждения

О Начал
I Три непосредственном

•инородном охлаждении вит-
обмотки возбуждения име-

IH каналы, а клинья высту-
пив г над бочкой ротора и
имеют отверстия, через ко-
iiipije из зазора водород по-
купает в каналы обмотки и
п.юрасывается в зазор (рис.
112, б). В турбогенераторах
i непосредственным водо-
|н>/|ным охлаждением витко-
•>и изоляция выполняется из

Рис. 4.12. Выполнение обмоток ротора при
косвенном (а) и непосредственном внутрен-
нем (б) охлаждениях

|ек11откани, армированной
мтружи стальной проклад-
ки) На дно паза укладыва-
> 11 я стеклотекстолитовая

Цишладка с каналами для прохождения газа 6. Под клин устанавливается
прокладка с каналами, через которые газ входит и выбрасывается из па-
ц)иой части.

I (иркуляция водорода внутри машины осуществляется за счет забора
Водорода в зоне впуска газа и выброса его в горячей зоне. Газ направля-
щ я заборниками внутрь обмотки и, пройдя до дна паза по наклонным
шпалам, снова выбрасывается в зазор. Многоструйная радиальная систе-
ип непосредственного охлаждения магнитопровода статора и обмотки
peiopa водородом, совмещенная с жидкостным непосредственным охла-
• лепием обмотки статора, позволяет разрабатывать турбогенераторы
предельной мощности (рис. 4.13). Лобовые части обмотки статора допол-
Мпсльно охлаждаются вентиляторами 1, помещенными на роторе. Горя-

4.13. Схема многоструйной радиальной сис-
охлаждения

чий газ охлаждается в
воздухоохладителях 2.

Лобовые части об-
мотки ротора испытыва-
ют большие напряжения,
их надежное крепление
имеет важное значение
для надежной работы тур-
богенератора. Крепление
лобовых частей обмотки
ротора 1 показано на рис.
4.14. Роторные немаг-
нитные бандажные коль-
Рис. 4.14. Лобовые части обмотки ротора

ца 2 насажены на полуэластичные центрирующие кольца 3 и центрир>|
щие заточки 4 на бочке ротора. Между бандажами и заточкой на бо>м
ротора установлена изоляция, препятствующая замыканию токов, к«’П>
рые наводятся на поверхности бочки ротора во время несимметричные,
режимов работы генератора. Опрессовка лобовых частей и заклим"»..
ротора производятся специальными гидравлическими приспособлениями

Ток возбуждения подается токоподводящим устройством, соси
щим из траверсы с несколькими десятками щеткодержателей и щеп*
Щетки скользят по контактным кольцам со спиральными канавп
Спиральные канавки предназначены для срыва воздушного клина мс I
кольцами и щетками. Охлаждение контактных колец и щеточного ашк
рата турбогенераторов мощностью до 300 000 кВт осуществляется симе
вентиляцией через аксиальные отверстия в кольцах. В турбогечера.о
большой мощности охлаждение контактных колец и щеточного aniiiipMl
осуществляется центробежными вентиляторами, насаженными на вал рогом

После сборки ротор подвергают динамической балансировке. Роь
испытывают при повышенной частоте вращения в специальной разнит
балансировочной установке.

Статор турбогенератора состоит из сердечника — магнитопровод I
прямоугольными пазами, двухслойной обмотки и корпуса, в котором 
мещается сердечник с обмоткой (рис. 4.15). Сердечник статора собир >">
из листов электротехнической стали. Вдоль оси статор разделен венны
ционными каналами. Крайние пакеты сердечника статора укреплены «•
жимными плитами.
(Ьмотка статора—трех-
фчшпя, двухслойная стерж-
с транспозицией про-
iiiiikob. В турбогенерато-
мощностью свыше 500
Mui применяется шестифаз-
опыотка. Изоляция стерж-
п обмотки статора выпол-
••* <<>< или из микаленты,
i |11пундиррванной изоля-
нн<|Ц|||.1ми лаками, или из
••рмореактивной изоляции
•Нин слюдотерм. Изоляция

Рис. 4.15. Статор турбогенератора ТВВ-1000-4

ниш слюдотерм изготовляется из предварительно пропитанных эпоксид-
т<ми составами стеклослюдинитовых лент. Весь процесс изготовления
винпщии, состоящий из наложения, опрессовки и запечки, механизиро-
••II П ищия слюдотерм обладает высокими изоляционными и механи-
ними свойствами, что обеспечивает надежность машин в эксплуатации.

I bi пряжение на обмотке статора турбогенераторов мощностью 800—
Пч МВт — 20^-24 кВ.

корпуса статоров — сварные, газонепроницаемые, в турбогенерато-
ра мощностью до 200 МВт — неразъемные. Корпуса турбогенераторов
Ьщпф гью 300 МВт и выше — разъемные в поперечном направлении.

Для уменьшения передачи на корпус и фундамент 100-периодных
опций сердечников в турбогенераторах 150 МВт и выше обеспечива-

»ч к упругая связь сердечника с корпусом статора.

< )бмотка статора турбогенераторов мощностью свыше 200 МВт имеет
•и । ргнпее водяное охлаждение. Стержни обмотки имеют каналы, в которые
• !«•• головки, расположенные в лобовых частях, дистиллированная ьода по-
 плгг в обмотку. На рис. 4.16 показаны лобовые части обмотки статора тур-
богенератора 300 МВт.

Подача воды в токоведу-
шие части осуществляется на-
сосами, а отвод тепла от на-
гретой воды — теплообмен-
ными аппаратами. Вода про-
ходит вакуумную обработку и
очистку в соответствующих
аппаратах. Предусматривается
контроль за температурой,
расходом, электрической про-

116. Торцевая зона турбогенератора водимостью и давлением воды.
Рис. 4.17. Саяно-Шушенский гидрогенератор мощностью 640 МВт, U= 15,7т
и = 142,5 об/мин

Система водородного охлаждения также замкнутая и снабжена с|
темой контроля.

Система маслоснабжения обеспечивает непрерывную подачу ма< I 
уплотнения вала. Система предусматривает очистку и охлаждение м,и
а также автоматическое поддержание заданного перепада давлений к
ду маслом и газом в уплотнениях вала турбогенератора. Масляные уп>
нения обеспечивают надежную работу турбогенераторов при давлен,
водорода до 5-105 Па.

В турбогенераторах предусмотрен контроль температуры акти|
стали, обмотки статора, вкладышей уплотнений и подшипника, холод-к
и горячего газов, масла и воды. Приборы ведут непрерывную запись я
левого состояния турбогенератора и возбудителя, а также сигнализщ
о превышении допустимых температур в контролируемых точках.

Явнополюсная конструкция ротора используется в мощных мне
полюсных синхронных машинах — гидрогенераторах. В настоящее чр I
крупнейшими являются гидрогенераторы Красноярской ГЭС мощном it
500 МВт, U = 15,75 кВ, п = 93,8 об/мин, coscp - 0,85 (см. рис. 4.2) и ’
но-Шушенской ГЭС мощностью 640 МВт, U— 15,75 кВ, п = 142,5 оо/ми
cos<p = 0,85 (рис. 4.17).
l .-t 4.18. Конструкции вертикальных гидрогенераторов подвесного (а) и зон-
№Ш1>| о (б) типа

I парогенераторы — машины индивидуального исполнения, имею-
В польшое многообразие конструктивных решений. Наибольшее рас-
ц»|| । ранение получили вертикальные гидрогенераторы подвесного типа,
шкальные гидрогенераторы зонтичного типа (рис. 4.18, а, б) и гори-
>п i.i и и 1ые гидрогенераторы капсульного типа (рис. 4.19).

II-1 тикальные гидрогенераторы подвесного типа обычно применя-
•>|| s и высокоскоростных агрегатах. Такой тип машин обеспечивает

1 •« 1.19. Капсульный гидрогенератор (Саратовской и Череповецкой ГЭС)
большую механическую устойчивость работы агрегатов. Гидрогенерапм
ры подвесного типа выполняются с одним направляющим подшипником,,
встроенным в верхнюю крестовину. Могут быть выполнены гидрогенер^
торы с двумя направляющими подшипниками. В этом случае устанаЛ
вается нижняя крестовина, в которую встраивается второй подшипни"

Самой мощной машиной подвесного типа является гидрогенерин I
для Братской ГЭС мощностью 225 МВт, U = 15,7 кВ, п = 125 об/мин,
costp = 0,85. Нагрузка на подпятник 1,4-107 Н.

Вертикальные гидрогенераторы зонтичного типа изготовлял из «
обычно для тихоходных гидроагрегатов. Этот тип машин экономичен
удобен при монтаже. В этой конструкции нет грузонесущей крестовины, i
ее заменяет конусообразная опора для подпятника, устанавливаемая н»
крышке турбины. При этом снижаются высота и масса гидрогенератони

Гидрогенераторы для Красноярской и Саяно-Шушенской ГЭС
зонтичного типа.

Предельная мощность гидрогенераторов лимитируется мощное uati
гидростанции. В настоящее время в Китае на реке Янцзы строится кру ,1
нейшая в мире ГЭС «Три каньона» мощностью 18200 МВт, на котоД
будут установлены 26 гидрогенераторов по 700 МВт каждый. Сташин
вступит в строй в 2010 году.

Гидрогенераторы капсульного типа — малогабаритные герметизи) I
ванные машины, работающие непосредственно в потоке воды. Они пр ।
меняются на низконапорных русловых или приливных гидростанции,
Применение таких агрегатов позволяет получить экономию капиталонЛт
жений за счет упрощения гидротехнических сооружений.

В капсульных гидрогенераторах применяется система полного во «
ного охлаждения статора и ротора. Капсульные гидрогенераторы для • • I
ратовской ГЭС имеют мощность 45 МВт, U = 6,3 кВ, п = 75 об/м,
cos<p = 0,85, нагрузка на подпятник 0,75-107 Н. Капсульный гидрогене|
тор для Череповецкой ГЭС имеет мощность 20 МВт, U= 3,15 кВ, п = '»
об/мин, cos<p = 0,95, нагрузка на подпятник 0,3-107 Н. Гидрогенераторе
трехфазного напряжения выпускаются серий СВ — синхронные вер.hi
кальные гидрогенераторы с косвенным воздушным охлаждением обмоп*
статора и ротора; СВФ — синхронные вертикальные гидрогенератор..!
непосредственным водяным охлаждением обмотки статора и форси,
ванным воздушным охлаждением обмотки ротора; СГКВ — синхронным
горизонтальные капсульные гидрогенераторы с непосредственным ок
ждением обмоток статора и ротора водой.

На рис. 4.20 дан разрез гидрогенератора завода «Электросила» 1
ГЭС «Джердап — Железные ворота» (Румыния) мощностью 171 MBi, м
= 71,5 об/мин, нагрузка на подпятник 3,5-107 Н.
Pin 4.20. Разрез гидрогенератора

(' гатор гидрогенератора 1 имеет диаметр несколько метров, поэтому
(опирается из сегментов. Сегменты собираются из листов высоколегиро-
iinoit холоднокатаной электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм.
1)|п| шихтовке и опрессовке активной стали применяются специальные
фпнлические прессы, создающие необходимое давление на сердечник.

11а наружной поверхности листов имеются выемки, с помощью ко-
lupijx осуществляется крепление пакетов магнитопровода к корпусу ста-
№|ш 2. Для уменьшения реактивной мощности, необходимой для созда-
ть поля, листы одного слоя перекрываются листами другого слоя и, сле-
нишельно, как в трансформаторах, зазоры между листами перекрывают-
 чипами другого слоя.

Корпуса статоров гидрогенераторов сварные. В тихоходных маши-
на* корпуса выполняются цилиндрическими, а корпуса быстроходных
.HIIIIII — многогранные. В зависимости от габаритов машины для удоб-
Шй । ранспортировки корпуса статоров делают разъемными на два—че-
|мр<- шесть—восемь секторов.

11азы магнитопровода — открытые. В гидрогенераторах в основном
ицимгняется трехфазная двухслойная волновая стержневая обмотка. Для
тмнорых серий гидрогенераторов с водяным охлаждением статорной
iMoiKH применяется однослойная стержневая обмотка. Стержни изго-
|«ини1()1'ся и чередующихся сплошных и полых элементарных проводни-
и> 11<>двод и отвод воды к стержням осуществляется через специальные
«мшсчники.
Рис. 4.21. Полюс статора гидрогенера-
тора

Для уменьшения добавочно | •
потерь в катушечных o6moi»m
транспонируются выводные пои
цы катушек и межгрупповые «н
единения. В стержневых обмой»*
транспонируются элементарны»
проводники. На проводники |>П
мотки статора при переходим»
процессах при пуске или корой и -
замыканиях действуют знании’им
ные усилия. Необходимо Ш|»
тельное крепление лобовых чаы< И
обмоток. Лобовые части обм<им»

укрепляются с помощью дистпи
ционных распорок и бандажных колец, к которым лобовые части крсшц
ся прочным шнуром. В пазах стержни обмотки укрепляются клиньями и«
изоляционных материалов.

Для стержневых обмоток гидрогенераторов в последнее время при
меняется термореактивная изоляция типа слюдотерм, монолит и т.п.

Ротор гидрогенератора (рис. 4.20) состоит из следующих основпы»
частей: вала 3, остова ротора 4, обода ротора 5, сердечника полюс» л,
катушки обмотки возбуждения 7 и демпферной обмотки.

Постоянный поток возбуждения замыкается в роторе по полюсам »
ободу ротора. Полюсы могут выполняться массивными или шихтовании
ми из листов стали, толщина которых определяется технологией изгони
ления и может составлять 1,5—3 мм. Обод (ярмо ротора) гидрогенерпн»
ров небольшого диаметра обычно выполняется массивным из стальнч»
поковки, при больших диаметрах — из листового проката.

Катушка возбуждения 1 (рис. 4.21) надевается на сердечник um
люса 2, который с помощью Т-образных хвостов 3 укрепляется н«
ободе ротора 4. Крепление осуществляется двумя парами встречный
стальных клиньев 5. Листы сердечника полюса стягиваются шпнлии
ми 6. На полюсных наконечниках имеются пазы, в которых распол»»
жены стержни демпферной обмотки 7. Стержни с торцов замыкаю1Ы
сегментами, к которым привариваются стержни короткозамкнутой
обмотки.

Обмотки возбуждения при косвенном воздушном охлаждении нам»
тываются из медной полосы специального профиля с развитой поверхш»
стью охлаждения. При форсированном воздушном охлаждении обмтм
возбуждения выполняется из меди специального профиля с поперечными
каналами. При водяном охлаждении катушка обмотки возбуждения изы
товляется из полой меди, намотанной в несколько рядов.
Изоляция полюсов роторов крупных гидрогенераторов выполняется
in отдельных элементов на основе слоистого пластика — стеклоасботек-
i к>яита с высокой нагревостойкостью и механической прочностью.

Во избежание деформаций в быстроходных машинах между полю-
и!ми устанавливаются распорки. Центробежные силы лобовых частей
оЬмотки возбуждения воспринимаются козырьком нажимной щеки полю-
111, которая крепится с торца сердечника полюса и является крайним лис-
1ом полюса.

Обод ротора крепится к остову ротора. При больших диаметрах ро-
н>ра применяются лучеобразные остовы с объемными спицами, имею-
щими двутавровое или коробчатое сечение. В быстроходных гидрогене-
рп горах остовы роторов выполняются из кованых дисков, насаживаемых
ни нал с натягом, обеспечивающим передачу вращающего момента. Коп-
иру кция остова в виде сварного барабана, состоящего из втулки и дис-
ион, применяется обычно при диаметрах ротора, не превосходящих 5 м.

Валы роторов гидрогенераторов изготовляются из высоколегирован-
ной стали с повышенными механическими свойствами. Для обработки
шиюв применяется станочное оборудование, позволяющее производить с
высокой точностью обработку валов длиной до 20 м и диаметром до 4 м.

На роторе расположены контактные кольца. С помощью колец и ще-
1ок от возбудителя на ротор подается постоянный ток. Возбудитель нахо-
щпся в верхней части гидрогенератора.

При сбросе нагрузки ротор гидрогенератора разгоняется до угонной
гкорости. Механическая прочность ротора рассчитывается по угонной
гкорости.

Подпятник является одним из важнейших узлов гидрогенератора.
Подпятник воспринимает действующие на вал ротора вертикальные уси-
лия, достигающие в мощных тихоходных гидрогенераторах 3,5-107 Н.
Наиболее распространенным типом подпятника является подпятник с
i ймоустанавливающимися сегментами. Подпятники имеют однорядное и
цпу\рядное исполнение. Подпятники мощных гидрогенераторов изготов-
1ию1ся двухрядными с балансирной связью между рядами сегментов
(рис. 4.22).

Подпятники должны работать при жидкостном трении. Между тру-
щимися поверхностями образуется масляная пленка толщиной 0,04—0,08
мм Непременным условием образования жидкостного трения является
hiм<«установка сегментов под некоторым углом к поверхности трения
вращающегося диска. Клиновидный зазор между баббитовой поверхно-
lii.io сегмента трения и зеркальной поверхностью вращающегося диска
н<«<-с иечивает работу подпятника при жидкостном трении.

Сегменты и диск подпятника находятся в масляной ванне. Масло не
пни.ко обеспечивает жидкостное трение в подпятнике, но и является ох-
389
Рис. 4.22. Подпятник с самоустанавливающимися сегментами

лаждающей средой. Для усиления охлаждения подпятника предусмагри

вается циркуляция масла и охлаждение его в маслоохладителях.

Радиальные усилия ротора воспринимаются направляющими щ>|
шипниками. В гидрогенераторах устанавливают один или два напри»
ляющих подшипника. Установка одного направляющего подшипни.. ।
возможна благодаря жесткому фланцевому соединению валов ги дроге иг
ратора и турбины. Вторым направляющим подшипником является ни
правляющий подшипник гидравлической турбины. Конструкция подпит
ников позволяет осуществлять регулировку сегментов при центровке ш

регата.

Конструкция синхронных компенсаторов и мощных синхронны
двигателей принципиально не отличается от неявнополюсных и явноии
люсных синхронных генераторов. Конструкции двигателей небольшо
мощности рассматриваются в § 4.15 и 4.23.

4.4.	Магнитное поле синхронной машины при
холостом ходе

При холостом ходе ток в обмотке якоря равен нулю. Поле в воздуш
ном зазоре создается током возбуждения, протекающим в обмотке во /iyi
ждения, при этом при вращении ротора в обмотке якоря наводится ЭДС.

При конструировании синхронных генераторов стремятся получи и
ЭДС, максимально приближающуюся к синусоиде. Несинусоидальносп|
кривой напряжения согласно ГОСТ оценивается коэффициентом иска»!
min синусоидальности, который опре-
нпяется отношением в процентах
»<>1>пя квадратного из суммы квадра-
нт амплитуд высших гармоник дан-
ной кривой к амплитуде ее основной
i прмонической:

k=++—+^а (4П)
А

।и<- Л,, А2,А„ — амплитуды 1-, 3- и
н й гармоник.

Коэффициент искажения по
I < и Т для генераторов мощностью
...не 100 кВ-A должен быть не бо-
кч* 5 %, а для генераторов от 1 до 100
«II Л — не более 10%. Чтобы умень-
ши! ь несинусоидальность напряже-
ния, необходимо максимально при-
живить форму индукции поля возбу-

Рис. 4.23. Поле явнополюсной син-
хронной машины при холостом ходе

»пения к синусоиде.

В явнополюсной машине поле возбуждения создается сосредоточен-
н>>|| катушечной обмоткой и МДС F = lw* (где I — ток в обмотке возбу-
♦ нения, a wK — число витков обмотки возбуждения) может быть принята
и 1меняющейся по прямоугольному закону (рис. 4.23).

Поле в воздушном зазоре определяется МДС обмотки и проводимо-
iti.io зазора. В явнополюсных синхронных машинах зазор неравномер-
ный. Зазор под краем полюса 8„ ® 1,6 6. Ширина полюсного наконечника
Ь * (0,65 -г 0,75)т. При этих условиях в зазоре распределение поля прибли-
зится к синусоидальному и ЭДС становится близкой к синусоиде (рис. 4.23).

При наличии зубцов и пазов на статоре кривая индукции отклоняется
к) синусоиды. Однако в кривой ЭДС за счет укорочения шага обмотки
• >чря, выбора определенного числа пазов на полюс и фазу q, соединени-
ем фаз обмотки в звезду или треугольник достигается уменьшение выс-
шие гармоник и кривая ЭДС остается синусоидальной. Наличие высших
। ицмоник в поле возбуждения вызывает добавочные магнитные потери.

Для характеристики поля при холостом ходе вводят коэффициент
|н>рмы поля возбуждения fy-и коэффициент потока возбуждения кф.

Коэффициент формы поля возбуждения

Лу=^-,	(4.12)

въ


где B8im —амплитуда 1-й гармоники индукции в воздушном зазоре; 1^,
индукция в зазоре на оси полюса.

Если поле синусоидальное, к/= 1. Обычно коэффициент формы по и
равен 1,05—1,2.

Коэффициент потока возбуждения

к -

(4 I h

где — полный поток возбуждения; Ф/]т — поток возбуждения, им*
денный по 1-й гармонике индукции:

Ф/m =	~	’	(4.141

где а8 —расчетный коэффициент полюсного перекрытия:

здесь Bgcp —средняя индукция в воздушном зазоре (рис. 4.23):

в^=~	(4. К-

т/к
о

Коэффициент формы ЭДС может быть определен через отношсшн
индукций

,	(4-1/1

где В8д1 — действующее значение магнитной индукции 1-й гармоники:

р _ ВЫт _

V2

(4.1HJ

При синусоидальном поле коэффициент формы ЭДС кв, в общем
случае равный: к — —7=—, будет кв = —= = 1,11.

2<2ЛФ	2V2

Классическая теория синхронных машин оперирует с 1-й гармон и iui(i
МДС якоря и обмотки возбуждения. Приведенные выше расчеты попе
ляют выделить 1-ю гармонику поля возбуждения в явнополюсных маши
нах и по ней провести анализ процессов электромеханического преоорл
зования энергии.

В неявнополюсных синхронных машинах воздушный зазор ранни
мерный, синусоидальное распределение поля обмотки возбуждения дш
тигается за счет распределения МДС.
Обмотки возбуждения в турбо-
ш-раторах расположены в пазах, и
о пределение МДС за счет наличия
г>|||ц.шого зубца приближается к тра-
и' цсидальному (рис. 4.24). Ступенча-
f, io кривую МДС можно разложить в
ц||1монический ряд и определить
|нцчения 1-й, 3-й и других высших
||Ц>моник МДС Fim.

Для амплитуды v-й гармоники:

Рис 4.24. Поле неявнополюсной
синхронной машины при холостом
ходе

Fv =

----— IW* = —— IW

7CV	ЛУ

(4-19)

। це w = w — —число витков обмотки возбуждения на полюс; k„v — ко-
“2

|||>фициент распределения v-й гармоники; q —число катушек; wK — чис-

п> витков в катушке.

При равномерном зазоре можно считать, что кривая индукции по-
коряет кривую МДС и

(4-20)

Хл = -- .

° 8

(4.21)

В неявнополюсной машине без учета насыщения коэффициенты кф,
* Ан зависят от отношения длины части окружности ротора, занятой об-
ышкой, к полюсному делению т:

I. _ ^Ъ\т _ ^71“ _ 4

/ ~ п ~ Г ” 7Т "f ’

। Ар/— коэффициент распределения для 1-й гармоники МДС:
. рл

sin —

k а_______2_

р/ рл

2

(4-22)

(4.23)

и р = — — относительная длина обмотанной части полюса (рис. 4.24).
т

11асыщение зубцовой зоны и наличие зубцов на статоре приводит к
н< шченшо амплитуд высших гармоник поля в воздушном зазоре. Влия-
ли насыщения и зубцов на поле машины, необходимое при проектиро-
HIIIII, проводится по поправочным коэффициентам, которые учитывают
римсгрию машины и степень насыщения [7].
Рис. 4.25. Характеристика холо-
стого хода

По магнитному потоку Ф/т в н|
душном зазоре можно определить ' )Д«
обмотки статора:

£о =4^Ф/га/1№А1-	(4..Ч1

В этой формуле не учитывгш 
высшие гармоники. КоэффициеР' А
принимается с учетом насыщения |>
формы зазора.

При постоянной частоте вращ тнц
в функции тока возбуждения сницииЯ
характеристику холостого хода (pita
4.25). При изменении тока возбуж 
ния от нуля, ЭДС и поток сначала и*

меняются по линейному закону, а затем, при близких к номиналып.г
значениям тока возбуждения и ЭДС, из-за насыщения магнитной щп

характеристика холостого хода отклоняется от линейного закона. Пр»
больших насыщениях характеристика холостого хода снова становш<||
линейной (рис. 4.25).

По характеристике холостого хода можно определить коэффицш

насыщения

к

н

ас

ab

(4 ’»!

Отрезок Ьс определяет МДС, приходящуюся на «стальные» учаси®
магнитной системы. Если машина ненасыщенная, то характеристика .м>
лостого хода линейная. Чтобы обеспечить лучшее использование маг
риалов, при проектировании рабочая точка выбирается на колене ЛИ
(точка с) на рис. 4.25.

Характеристики холостого хода стандартизированы. В табл. 4.1 дан
стандартные характеристики холостого хода для турбо- и гидро генери i м
ров в относительных единицах. Стандартизация характеристики хол'ч  I
го хода необходима для обеспечения успешного включения генераюро»!
на параллельную работу.

Таблица 4.1. Стандартные характеристики холостого хода

If		0,5	1	1,5	2	2,5	3	1.1 __
Ef	Т	0,58	1	1,21	1,33	1,4	1,46	1.4 .
	Г	0,53	1	1,23	1,3	1,4	1,46	1 М

Примечание. Т — турбогенератор, Г — гидрогенератор.
При холостом ходе, кроме потока
и по (душном зазоре, который наводит
•ДС в обмотке якоря, в синхронной
..шише есть поток рассеяния обмотки
побуждения Ф^, сцепленный только с
(моткой возбуждения (рис. 4.26).
I Ini ок рассеяния обмотки возбужде-
нии (амыкается вокруг обмотки воз-
ждения в межполюсном простран-
на- и по торцам полюсов и не наво-
(||| )ДС в обмотке якоря. Поток рас-

11ШЯ зависит от конструкции маши-
нч насыщения и определяется коэф-
фициентом рассеяния

ф, +ф ,
стг= —-------чС (4 26)

1	Ф г
/”

ЗбО/2р

Рис. 4.26. К расчету магнитной
цепи синхронной машины

11оток рассеяния обмотки возбуждения различен д ля турбо- и гцдрогене-
1пров. Для гидрогенераторов он больше и может достигать 30—40% рабо-
п io потока. В турбогенераторах поток рассеяния существенно меньше и
|мш-и 4—8 % рабочего потока.

4.5.	Расчет магнитной цепи синхронных машин

Магнитную цепь машины рассчитывают при холостом ходе. При
। - чего определяют ток возбуждения Ifi МДС Ffm, которые создают в за-
ире магнитный поток, необходимый для создания ЭДС в обмотке стато-
। > / Расчет магнитной цепи производят на основе закона полного тока
«к i редней магнитной линии, состоящей для явно- и неявнополюсных
«•••инн из пяти участков (рис. 4.26):

^F = F&+Fz + FBi+Fal+Fm,

(4.27)

 * /7 — магнитное напряжение воздушного зазора (участок 1—2); Fz —
«м« ши ное напряжение зубцов статора (участок 2—3); Fa] — магнитное на-
|.<*гч|ие ярма якоря (участок 3—4); Fa2 — магнитное напряжение ярма ро-
| (рн (v часток 5—6); Fm — магнитное напряжение полюсов (участок 6— 7).

Рассмотрим расчет магнитной цепи для явнополюсной машины.
Магнитное напряжение воздушного зазора

Fb=—W>,	(4.28)

Ио
где В6 =—— ; к&=кЬ1к&2 — коэффициент воздушного зазора, уши.»
вающий зубчатость статора и наличие пазов демпферной обмотки па |п>
торе. При этом

где tzi — зубцовое деление якоря;

(4 Wi|

здесь АП| — ширина открытого паза якоря.
Коэффициент воздушного зазора



С-2~У28’

(4. Hi

где у2 =

Здесь — зубцовое деление демпферной обмотки; Ь„2 — раскрытие пи 
демпферной обмотки.

Индукцию в воздушном зазоре выбирают по таблицам [7]. Поим
воздушного зазора в зубцовой зоне проходит в основном по зубцам, 4
сечение зубца составляет примерно половину зубцового деления. Попо
му В& в зависимости от мощности и числа полюсов выбирают в преде>ы«
0,8—1 Тл.

Магнитное напряжение зубцов якоря рассчитывают так же, как и дп«
асинхронных машин (см. § 1.8). Обычно в синхронных машинах паз им
ет прямоугольное сечение, а зубец — форму трапеции, поэтому нахоа» I
индукцию в трех сечениях зубца, рассчитывают три значения напряжен
ности, затем определяют среднее значение напряженности Hcpz. Тогда

F = Н I
гzl	ncpz‘z\ ’

(4.1Л

где — высота зубца.

Магнитное напряжение в спинке якоря рассчитывают по (1.39), i
же, как и в асинхронных машинах.

Зная коэффициент рассеяния обмотки возбуждения оу и поток в ьа
душном зазоре, определяют поток в ярме ротора. По сечению ярма ршн
396
. находят индукцию в ярме ро-
i|ia и по таблице для данного
qua стали — напряженность
I., а затем МДС

^2=На21а2,	(4.33)

/,,2 — длина средней силовой
н)111и (участок 5—6 на рис. 4.26).

При расчете магнитного на-
пряжения полюса определяют ин-
щию в полюсе, а затем, так же,
«* п для других участков, по таб-
«нцпм находят напряженность и,
ыиожая ее на длину средней си-
н|»пй линии, определяют Fm.

Рис. 4.27. Характеристика намагничива-
ния и переходная характеристика

11росчитав магнитную цепь для нескольких значений Bs, строят ха-
>-яеристику намагничивания Ф = f(^F) (рис. 4.27).

Характеристика холостого хода повторяет характеристику намагни-
«1П11ПИЯ, так как ЭДС пропорциональна потоку.

В теории синхронных машин рассматривается также частичная или
»1>сходная характеристика намагничивания	гДе

h, Fl+Fzl + Fal — магнитное напряжение статора. Зависимость потока
"	— линейна» (Рис- 4-27)-

Расчет магнитной цепи неявнополюсной машины отличается от рас-
||| явнополюсной машины лишь расчетом магнитного напряжения ро-
||||ц Расчет магнитного напряжения воздушного зазора F6 , зубцов ста-
1|>п /•',! и ярма статора Fai осуществляется так же, как для явнополюсной

Магнитный поток в роторе неявнополюсной машины в основном
нрниодит в области большого зубца. В области малых зубцов, где в пазах
I > полагается обмотка возбуждения, насыщение меньше, так как по по-
|»|и мной оси при холостом ходе поток возбуждения не проходит.

11ри расчете магнитного напряжения зубцов ротора Fz2 берут среднее
нпч< ние индукции в большом и малых зубцах. Найдя среднюю напря-
•гиность и умножив ее на высоту зубца, определяют магнитное напряже-
ны /'12.

К ярме ротора машины замыкаются рабочий поток и поток рассея-
ния Сечения ярма определяются длиной ротора и расстоянием между
нм пазов ротора и отверстием для вала. Магнитное напряжение ярма
itopii (см. рис. 1.42):
Fa2=^Jn2

(4.1.1)

где £, —коэффициент, учитывающий уменьшение длины средней сипи
вой линии в ярме ротора, £, = 0,65 + 0,85 [7].

Определив для номинального значения Е, найдем число витком
и ток обмотки возбуждения:

YF = Ifwf	<4П'

Расчет МДС проводят на полюс или на пару полюсов. Исходя из »п»
го, определяют и число витков обмотки возбуждения.

4.6.	Магнитное поле синхронной машины при
нагрузке. Реакция якоря

Рис. 4.28. Реакция якоря в синхронной ма-
шине:

а — поперечная реакция якоря при активной
нагрузке; б — продольная размагничивающая
реакция якоря при индуктивной нагрузке; в —
продольная подмагничивающая реакция якоря
при емкостной нагрузке

При нагрузке в обмен.•
якоря протекают симметрии
ные токи, которые создаю! и
воздушном зазоре вращаю
щееся магнитное поле, непол
вижное относительно пои»
обмотки возбуждения. Резули
тирующее поле можно полу
чить путем наложения поп»
якоря на поле возбуждении
Явления, связанные с измай
нием поля при нагрузке 
влияющие на характеристики
машины, называют реакии
якоря. Реакция якоря в сип
хронной машине зависит <п
нагрузки и coscp нагрузки.

Рассмотрим реакцию якк
ря в генераторном режиме при
активной нагрузке. При хот.
стом ходе максимум крилой
ЭДС в отдельных проводники»
обмотки статора совпадает I
серединой полюса (рис. 4.28)
Можно считать с достаточной
точностью, что при нагрузке 
ши (ряжение будет иметь максимум под серединой полюса, так как
I1 * Ё. При активной нагрузке coscp = l и максимум тока совпадает с
максимумом напряжения. Поле реакции якоря замыкается по полюсным на-
ншечникам и магнитопроводу статора так, как это показано на рис. 4.28, а.

Магнитодвижущая сила поля реакции якоря при активной нагрузке
направлена перпендикулярно направлению МДС обмотки возбуждения,
и пствуюшей по продольной оси машины. Поэтому реакцию якоря при
пк । ивной нагрузке принято называть поперечной реакцией якоря.

При активной нагрузке поле якоря, накладываясь на поле обмотки
шнбуждения, ослабляет поле на набегающей половине полюса и усилива-
। его на сбегающей половине полюса. При определении сбегающей и
ниоегающей частей полюса считают ротор неподвижным, а статор —
ирлщающимся (стрелкой показано направление вращения ротора) (рис.
I '8, а—в).

В ненасыщенной машине поле поперечной реакции якоря изменяет
форму поля в воздушном зазоре, но не изменяет результирующий поток.
II н.1сыщенной машине увеличение поля под сбегающим краем полюса
। мнывается на результирующем потоке меньше, чем уменьшение поля
ниц набегающей частью полюса. Поэтому в насыщенной машине попе-

рсчная реакция якоря не только искажает поле в воздушном зазоре, но и
уменьшает результирующий поток (рис. 4.29, а).

При чисто индуктивной нагрузке синхронного генератора, когда ток
ж гает от напряжения на электрический угол 90°, реакция якоря размаг-
ничивающая (рис. 4.28, б). Магнитодвижущая сила реакции якоря при
индуктивной нагрузке направлена навстречу МДС обмотки возбуждения.
При работе синхронного генератора на индуктивную нагрузку поле в за-

юре уменьшается.

11ри чисто индуктивной нагрузке реакция якоря продольная — поток

|нмкции якоря замыкается по тем же путям, что и поток возбуждения.

!'•» 1магничивающее дейст-
iiiu реакции якоря в этом
 ч\ чае проявляется значи-
н 'H.IIO сильнее, чем при
поперечной реакции якоря
1|>и< 4.29, б).

При чисто емкостной
fi.ii ручке реакция подмаг-
ничивающая. Ток опережа-
। и шряжение на электри-
кий угол 90° и МДС
11Ч1НИ якоря и МДС об-

Рис. 4.29. Поле поперечной (а) и продольной
(б) реакций якоря
Рис. 4.30. Продольная и попереч-
ная составляющие реакции якоря

ния, а при активно-индуктивной
(рис. 4.30).

мотки возбуждения складываются, «Л
разуя результирующее поле. В н«<|
случае продольная реакция якоря
подмагничивающая (рис. 4.28, в).

В общем случае при смепииюй
нагрузке zH = RH + jxu реакция явор»
Fa имеет две составляющие: продомь
ную Fd и поперечную F (рис. 4 Ин
Продольная составляющая совпадав i >
продольной осью машины d, а поп-
речная — с поперечной осью q. При
смешанной нагрузке — актинии
емкостной продольная реакция якоре
совпадает с МДС обмотки возбужи*
нагрузке Fd направлена навстречу Я

В неявнополюсной машине при повороте вектора реакции якоря I1
относительно осей машины продольная и поперечная составляющие Ml
зависят от размеров воздушного зазора, так как зазоры по продольной
поперечной осям машины практически одинаковы.

В явнополюсной машине продольная и поперечная составляю» ш»
зависят не только от тока нагрузки, но и положения вектора относительна
осей машины, так как зазоры по продольной и поперечной осям различны.

Чтобы учесть влияние магнитного сопротивления воздушного зазор'
по продольной и поперечной осям машины, вводят коэффициенты peui
ции якоря по продольной kad и поперечной кад осям машины.

Коэффициенты kad и кад меньше единицы. При этом kaq < kad и ко >ф
фициент kaq можно считать примерно равным 0,5, a kad » 0,85 0,‘Н
Значения kad и kaq зависят от геометрии зубцовой зоны, числа пазов hi
полюс и фазу, полюсного деления и насыщения. С помощью kad иЦ
осуществляют так называемое приведение МДС якоря по продольной и
поперечной осям машины. Приведенная продольная составляющая реи»
ции якоря

Fad — kadFd

(4. In I

Приведенная поперечная составляющая реакции якоря

F = к F
aq ^aq* q ’

(4.U)

Введя в исследование процессов преобразования энергии в синхро»
ных машинах приведенные продольные и поперечные составляющие
мни якоря, можно представить, что и ток якоря 1а состоит из продоль-
. l,i и поперечной 1Ч составляющих:

Id = /о sin у; Iq=Ia cosy.	(4.38)

I оку Id соответствует Fd = Fa sin у, а току 1Ч соответствует
b Fu cosy.

i ок якоря в продольной оси создает продольную реакцию якоря, а
1»> якоря по поперечной оси создает поперечную реакцию якоря.

11ри активно-индуктивной нагрузке отстающий от напряжения реак-
।tniiii-i II ток создает размагничивающую реакцию якоря.

11ри активно-емкостной нагрузке опережающий реактивный ток соз-
рг । подмагничивающую реакцию якоря.

4.7.	Параметры синхронных машин в
установившемся режиме

11 "раметры синхронной машины — это коэффициенты перед пере-
м-иными в уравнениях, описывающих процессы преобразования энергии
। микронных машинах (4.5). Параметрами установившегося режима при
..ммегричной нагрузке являются активные и индуктивные сопротивле-
»>« оомоток статора и ротора.

Активные сопротивления фазы обмотки якоря га, обмотки возбужде-
Ьц I/ и демпферной обмотки гд — сопротивления, которые определяются
» м|сктрическим потерям соответственно в обмотках якоря, возбужде-
W* и демпферной обмотке. Например, зная электрические потери в об-
 Ьгм; якоря Р3 = тАга12а , можно определить га и т.д. Это сопротивление
I- kojii.ko больше сопротивления для постоянного тока из-за вытеснения
I Увеличение сопротивления на переменном токе зависит от частоты
»й п размеров элементарного провода. Чтобы уменьшить вытеснение
1>1 применяют транспозицию проводников и выбирают проводники
«•111.1ПСЙ высоты.

В явнополюсных машинах различают активные сопротивления
Ьцнферной обмотки по продольной гД£/ и поперечной осям машины.

К индуктивным сопротивлениям синхронной машины в устано-
кик-мся режиме относятся индуктивные сопротивления по продоль-
 л >,/ и поперечной х0 осям, а также индуктивное сопротивление рас-
Ьиппя фазы обмотки якоря. Индуктивные сопротивления рассеяния
шиферной обмотки и обмотки возбуждения учитываются в пере-
|*< IUI.I к режимах.
При определении индуктивных сопротивлений предполагается о
ствование рабочего потока, сцепленного с обмоткой якоря и обмоткой ш*ф
ждения Фт, и потока рассеяния Ф„1, сцепленного только с обмоткой як. ри

В неявнополюсной машине главное индуктивное сопротивлени я» |
или сопротивление взаимной индукции якоря ха определяется по форму*-'

=	0.»

Tip

где Zi — индуктивность обмотки якоря; Х8 =—-----коэффицисш

£s8

водимости равномерного зазора на один полюс.

Электродвижущая сила обмотки якоря от поля взаимной ищп» ।
якоря

Еп —	—

a J а а

.<мат
J я

где Xm=LnV27e — потокосцепление взаимной индукции фазы <ч i<>||
в якоре 1а.

В неявнополюсных машинах сопротивления в продольной и )»-<•
речной осях одинаковы, поэтому ха = xd = хч. Индуктивное сопротиип. -»•
рассеяния фазы обмотки якоря зависит от индуктивности рассеяния ф
якоря Laa:

Хаа = 2nfLw = 4лр0Х.	(111|

P<h

Магнитная проводимость рассеяния обмотки якоря Хоо = 'кт + Х(М t
где А™, —магнитная проводимость пазового рассеяния, Хло — распив
лобовых частей обмотки якоря, а кда — магнитная проводимость дифф
ренциального рассеяния. Составляющие магнитной проводимое in
сеяния зависят от геометрии машины и насыщения. Подробный pn-w
магнитных проводимостей приводится в книгах по проектированию ЦН
трических машин [7].

Индуктивное сопротивление рассеяния определяется магнии)-***
сопротивлениями полей рассеяния. Поток рассеяния замыкается и
вой и лобовой частях обмотки. На поток рассеяния влияет и дифферсм
альное рассеяние, создаваемое высшими гармониками. Индуктивно* >«
противление рассеяния лобовых частей почти не зависит от насыщсин» »
дифференциальное рассеяние зависит от насыщения.

Поток рассеяния связан с ЭДС рассеяния следующим соотношснм<|
•	•	ш х

Em=-jxmIo=-j-jf,	(4-42)

I Ч'„ = Laa(J2Ia) — потокосцепление рассеяния фазы якоря.

Полное индуктивное сопротивление неявнополюсной синхронной
lllillll.l

хс=хаа+ха.	(4.43)

II явнополюсных машинах индуктивные сопротивления по продоль-
Й it поперечной осям машины отличаются друг от друга, так как маг-
HH.IC сопротивления по продольной и поперечной осям машины из-за
||*|ця зазоров различны (см. рис. 4.29).

Индуктивное сопротивление по продольной оси

xd=xaa+xad,	(4.44)

. I,./ — индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси
шины.

Индуктивное сопротивление по поперечной оси

хч=хаа + хач,	(4.45)

» |,и/ — индуктивное сопротивление реакции якоря в поперечной оси
№11111.1.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси

4и

х^ = 2л#^ = 2л/>	(4.46)

42Id Tip

к xl

I A u = d 8 — коэффициент проводимости зазора по продольной
A:g5

В, Л,/ — коэффициент формы поля по продольной оси.

Индуктивное сопротивление реакции якоря по поперечной оси

=2лДв, =2k/-^- = ^Wj/,(®Ai)24.	(4.47)

V2/? Tip

к xl.

| А = —— = A Xg — коэффициент проводимости зазора по попереч-

I tn н, кч — коэффициент формы поля по поперечной оси.

I и к|>фициенты формы поля по продольной kd и поперечной kq осям
hii.iii.iiot влияние явнополюсной конструкции ротора на основную гар-
•м.у индукции. Коэффициенты формы поля являются функциями от-
Н1Л11Ы1ЫХ размеров полюсного наконечника ротора и конфигурации
• Inui (числа пазов, раскрытия паза и воздушного зазора).
Коэффициент формы поля по продольной оси зависит от насыщена
а коэффициент формы поля по поперечной оси не зависит от насыпщиц*
так как зазор по поперечной осп значительно больше, чем по продолын
ОСИ МИШИНЫ, поэтому Xad > Х^.

Зная х^ kd и кч, можно определить х^ из следующего соотношиш 
к

(4.1

Электродвижущие силы, индуктируемые токами по продольной |
поперечной осям, равны:

=	И*

Ет =	= -jxnJ„,	(’ 

oq J ГГ J aq q9	'

где	= Lag(-J2Ig) — потокосцепления реакции ямМ

по продольной и поперечной осям.

При холостом ходе поток в воздушном зазоре Ф/т создается обм$|.
кой возбуждения. Индуктивность обмотки возбуждения

м^Ф-

Z,=-^- =	(4

f/ if

Кроме поля в воздушном зазоре, существует поток рассеяния о(>мо
ки возбуждения. Полная индуктивность обмотки возбуждения

Lf=Lf6+Laf,	(4

где Laf— индуктивность рассеяния обмотки возбуждения.

В переходных режимах

<4'"

и Lf определяет время затухания тока в обмотке возбуждения при ра г>м»
нутых других контурах машины.

Активное сопротивление обмотки возбуждения определяется и р
считывается по методике, изложенной §1.15.

Параметры синхронных машин имеют важное значение для отц» Н
ления эксплуатационных показателей машины. Целесообразно ...I

вать машины между собой, если параметры выражены в относите ими*
единицах:
r J	TcJ	zJ

пф,ном	л-'ф,ном	А’*ф,ном

= —-—;	х. = —-—;	z, =-------

^ф,ном	^ф»ном	^ф,ном

(4.54)

Далее в обозначении всех величин для упрощения записи индекс *
।, i кается.

Н табл. 4.2 приведены значения параметров турбо- и гидрогенерато-
ш для установившегося режима при симметричной нагрузке.

Таблица 4.2. Параметры турбо- и гидрогенераторов

Ппименование	гп	Xd	X,	Xnd	Xaq	Хва
Лченераторы	0,002—0,008	1,6—2,2	1,6—2,2	1,5—2,1	1,5—2,1	0,08—0,25
ниро генераторы	0,002—0,02	0,6—1,8	0,4-1,2	0,5—1,5	0,3—0,9	0,1—0,3

Чем меньше воздушный зазор, тем больше индуктивное сопротивле-
। Уменьшение зазора уменьшает перегрузочную способность машины,
in кая машина требует меньшего вложения активных материалов,
нипие реакции якоря сказывается сильнее в машинах с большими зна-
ниями индуктивных сопротивлений.

Как и в других электрических машинах, концентрация энергии маг-

tuoro поля в синхронных машинах происходит в воздушном зазоре,
ному размеры зазора определяют характеристики и массогабаритные
тип гели. В синхронных машинах воздушный зазор выбирается таким
|Wii)M, чтобы xad и хач не превосходили определенных значений. У вели-

чие воздушного зазора приво-
к увеличению объема обмот-
иозбуждения, увеличению
tupinoB и удорожанию маши-
। Сниженный зазор приводит
ннжению устойчивости и зна-
н пыюму влиянию нагрузки на
1>пк юристики машины.

Увеличение мощности в тех
। пЬиритах за счет внутреннего
иодшюго охлаждения привело
। ииременных высокоисполь-
•чмх машинах к увеличению
и-иной нагрузки. Чтобы сни-
н влияние реакции якоря, в
жч машинах приходится уве-
ПП1.11 ь воздушный зазор.

П|раметры машины xd и xq

Рис. 4.31. Схема опыта скольжения (а),
изменение тока якоря (б)
могут быть определены опытным путем. Одним из способов, нашгдшЛ
широкое применение при исследовании синхронных машин, явл*> .»
опыт скольжения.

При опыте скольжения ротор невозбужденной машины вравши^
приводным двигателем в сторону вращения поля с почти синхронов
частотой вращения. При этом поле, создаваемое токами обмотки сппм
попеременно совпадает с продольной или поперечной осями ротора Ь<<
4.31). Это приводит к тому, что ток в обмотках статора изменяется с »
тотой, зависящей от разности сос - <вр. По показаниям амперметра опр »
ляются токи, а по ним — сопротивления:

U	U

Х“ ~ з/37 • ’ Хч ~ J3I '

Здесь U — линейное напряжение; /1П;П и 7тах — значения токов о(»мо‘-
статора, полученные из опыта скольжения.

При испытаниях синхронных машин большой мощности пропо <•
опыт скольжения трудно, так как надо иметь специальный приводив
двигатель и обеспечивать питание машины соответствующими токами

4.8. Характеристики синхронных генераторов

Основными характеристиками синхронного генератора, работанив
го на автономную нагрузку, являются: характеристика холостого
внешняя, регулировочная и характеристика короткого замыкания.

Характеристика холостого хода XXXпоказана на рис. 4.32. Подргн»
она была рассмотрена в § 4.4. Характеристика холостого хода имссч в
чальную прямолинейную часть ОА, когда магнитная цепь не насыщ
Машина начинает насыщаться вблизи номинального значения ЭДС.

При глубоком насыщении XXX снова становится линейной. По Ы

Рис. 4.32. Характеристика холосто-
го хода синхронного генератора

можно определить взаимную лип»
тивность между обмотками возбу • 
ния и обмоткой якоря. Взаимная в
дуктивность имеет насыщенное в мя
насыщенное значения и может
определена как отношение ЭДС к
возбуждения.

Опытным путем характерш ш»
холостого хода снимают при not «•
ной номинальной частоте вращ-
при изменении If и разомкнуто» d
мотке якоря (4, = 0). При исслсдлВ
н Ч11глктеристики холостого хода
ичппа строят восходящую ветвь,
ыем при уменьшении If— нис-
[wmyio. При расчетах использу-
« средняя кривая. Гистерезис в
1ч|>»нных машинах имеет место
in того, что ротор не перемаг-
‘шыстся и по стали ротора за-

III 1СЯ постоянный поток воз-

ui

1

• ш-пия.

I * 11СШНИМИ характеристиками
рошюго генератора называются

0,5

Рнс. 4.33. Внешние характеристики
синхронных генераторов

н< пмости при п = const, cos <р = const, снятые при неизменном
М по «буждения If= const.

I la рнс. 4.33 показаны внешние характеристики синхронного генера-
н| и относительных единицах при чисто активной R, индуктивной L и
нн гпой С нагрузках. При активной нагрузке при увеличении тока Ha-
iti и 1п напряжение на выходе генератора уменьшается вследствие па-
ши напряжения на внутреннем сопротивлении машины za = ra + jxaa и
ноши поперечной реакции якоря. При индуктивной нагрузке за счет
i ильного размагничивающего действия продольной реакции якоря
шиия характеристика при чисто индуктивной нагрузке идет ниже
iiuicii характеристики при активной нагрузке. При емкостной нагрузке

пня якоря подмагничивающая, поэтому с ростом нагрузки растет на-

•111110 на выводах генератора.

II процентном отношении внутреннее сопротивление машины по отно-
IIIIO к сопротивлению нагрузки обычно составляет небольшое значение,
шму можно реакцию якоря при активной нагрузке считать без учета ин-
iiiiiiioro сопротивления рассеяния обмотки якоря. В машинах небольшой

мощности поперечная реакция
якоря (чисто активный ток) будет
при наличии в нагрузке небольшой
емкости, компенсирующей индук-
тивное сопротивление рассеяния
обмотки якоря машины.

Номинальным изменением
напряжения синхронного генера-
тора АС7Н0М называется изменение
напряжения при изменении на-
грузки от нуля до номинальной
при неизменном токе возбужде-
ния (рис. 4.34)
—100% .....

НОМ

0,5 I Ia

Рис. 4.35. Регулировочные ха-
рактеристики синхронных гене-
раторов

Как правило, генераторы ра(нн .►
при отстающем токе с cos ср = 0.М |
обычно равно 20—30%, ДС/НОМ гем Ш
ше, чем больше х# ГОСТ не лимии!|>||
значения Л17ном-

Регулировочная характерно гп* я 4
это зависимость тока возбуждения (
тока якоря If- f[Is) при постоянном >и
пряжении, постоянной частоте вршн-
и неизменном cos ср нагрузки. Рег>т»
вочные характеристики показываю!, Л
нужно изменять ток возбуждении
изменении нагрузки, чтобы наприте

на выводах генератора оставалось постоянным (рис. 4.35).

Регулировочные характеристики могут быть построены, если ня*»»
ны внешние характеристики. При увеличении нагрузки при индукны.*»
нагрузке напряжение уменьшается (рис. 4.33). Чтобы напряжение oi !(
лось неизменным, надо увеличивать ток возбуждения. При еммн
нагрузке при увеличении тока в якоре машины напряжение на in.in>«
генератора растет (рис. 4.33). Чтобы оно оставалось неизменным,
уменьшать ток возбуждения (рис. 4.35).

Так же, как и внешние характеристики, регулировочные xapunt^f
стики при небольших нагрузках линейны. При нагрузках, близких • 1
минальному значению, из-за насыщения регулировочные характера -•••

становятся нелинейными (рис. 4.35).

При работе синхронного генера-
тора на емкостную нагрузку магнит-
ное поле в машине создается током
возбуждения и реактивными токами,
протекающими в якоре. При неболь-
ших зазорах в синхронной машине,
работающей на емкостную нагрузку,
может наступить самовозбуждение,
когда при отключенной обмотке возбу-
ждения (If = 0) на выводах генератора
появится напряжение. Это явление на-
зывается самовозбуждением синхрон-
ной машины. Более подробно явление
самовозбуждения рассмотрено в § 4.13.

Рнс. 4.36. Характеристика
кого замыкания
< >днои из важных характеристик синхронной машины является характе-
рны короткого замыкания — зависимость тока якоря от тока возбуждения
Я/,) при симметричном коротком замыкании на выводах якоря при номи-
н пой частоте вращения (рис. 4.36).

1.ш11симость тока короткого замыкания от тока возбуждения снима-
|||>и закороченной амперметрами обмотке якоря при постепенном
мщении тока возбуждения от нуля до значения 7К, примерно равного
шпальному значению. Эта зависимость линейная, так как генератор не
мшен (работает при размагничивающей реакции якоря). Индуктивный
•мер тока при коротком замыкании определяется индуктивным сопро-
|еиием обмотки якоря, которое значительно больше активного сопротив-
ш <|<>мотки(в относительных единицах 7? = О,ОНО,001, а х,;= 1,04-2,5).

I "к короткого замыкания может быть определен как

Z«=7==T’	(4.56)

V/? +X2d

I ,, ЭДС, соответствующая току возбуждения 7уо, которая определя-
п«> I прямленной характеристике холостого хода.

11ренебрегая активным сопротивлением, ток короткого замыкания
ш определить

л=—	(4.57)

xd

II опюсительных единицах ток короткого замыкания обратно про-
wiiiHiineHxd. Таким образом, можно по характеристике холостого хода
inn, н ристике короткого замыкания определить опытным путем xd.

Г1п ж ное значение имеет кратность тока короткого замыкания при на-
।< пин холостого хода, равном номинальному (рис. 4.37),

Ло=~ (4-58)

1 ном

। номинальном токе возбуждения,
• uiiipoM ток короткого замыкания
Я К НОМ'

Дном =7^-	(4.59)

z ном

Oi ношение тока короткого замы-
।» номинальному току в относи-
мых единицах при токе возбужде-
ири котором Ео = ижи, называ-

Рнс. 4.37. К определению кратно-
сти тока короткого замыкания
Рис. 4.38. Нагрузочная харак-
теристика

ется отношением короткого замыьтъл
(ОКЗ) и для ненасыщенной явнополим m |
машины

окз=-^

Ха^ном Xd

1

Если ОКЗ определяют по насыщеюф
характеристике холостого хода, то

114-12

ОКЗ = —-----(4(.<ч

xd

Отношение короткого замыкания, так же, как и xd, определяет и, 
грузочную способность синхронной машины. Чем больше ОКЗ, 
больше предельная нагрузка; ОКЗ тем больше, чем больше воздупш
зазор, т.е. при той же мощности меньше концентрация энергии магию
го поля. Такие машины требуют больших вложений материалов, что уф
личивает их стоимость. У турбогенераторов ОКЗ = 0,44-1,0, а гидршЯ

раторов 0,84-1,8.

Нагрузочная характеристика — это зависимость напряжения на 
нераторе от тока возбуждения	при постоянных токе якоря,  |

нагрузки и частоте вращения (рис. 4.38). При изменении напряжения i
в якоре поддерживается неизменным путем регулирования сопрозию»
ния нагрузки. Нагрузочные характеристики снимают только при ин > I
тивной нагрузке. Поэтому и называют зависимость U = fllft при соя . |
= const индукционной нагрузочной характеристикой.

Индукционная нагрузочная характеристика является вспомог.н I

нои характеристикой и используется
противления рассеяния. Для этого
необходимо иметь характеристику
холостого хода XXX и индукцион-
ную нагрузочную характеристику,
снятые опытным путем (рис. 4.39).
Имея эти характеристики, можно
построить реактивный треугольник
АВС. В треугольнике АВС катет АВ
равен падению напряжения в сопро-
тивлении рассеяния якоря а
горизонтальный катет ВС равен
МДС реакции якоря в масштабе тока
возбуждения, в котором построены

для определения индуктивного

E.Ui
ш и-ристика холостого хода и нагрузочная характеристика (рис. 4.39).

h активный треугольник показывает, что уменьшение напряжения
11 пи । ии нагрузочной характеристики происходит вследствие падения
.жжения на индуктивном сопротивлении рассеяния хаа (катет АВ) и
«ini пичивающего действия реакции якоря (катет ВС).

I ели известны катеты реактивного треугольника, то по характери-
,1 > । чи юстого хода XXX можно построить нагрузочную характеристику,
пиная реактивный треугольник параллельно самому себе (треуголь-
L/^C'i). Если имеются снятые опытным путем XXX и нагрузочная
меристика, можно определить хаа, зная продольную реакции якоря
i*i /Я' в масштабе тока возбуждения). Приближенно катеты реактив-
|Г1Лгольника определяются по спрямленной XXX так, как это пока-
। ин рис. 4.39.

Рш смотренные характеристики дают возможность судить об основ-
• iji ‘к громагнитных показателях машины. Однако о КПД и распреде-
ли । силовых полей по ним судить нельзя.

<	'ирсделение потерь в синхронных машинах осуществляется так же,
и и асинхронных машинах, с учетом того, что в обмотке ротора син-
niioii пашины протекает постоянный ток. К добавочным потерям от-
*1 111'''ерхностные потери в роторе. Основные потери в меди включа-
IUI।ери в обмотке якоря и обмотке возбуждения. Потери в обмотке

. «дения считают с учетом потерь в возбудителе:

1,

(4.61)

ХСт — переходное падение напряжения в щеточном контакте
1 « 1 В). Если возбуждение бесконтактное, эта составляющая потерь
н< ihvct; Цу— КПД возбудителя (цу = 0,84-0,85).

<	^противление обмотки возбуждения определяют без учета вытес-
ни itixa по формуле (1.107) и приводят к расчетной температуре 75 °C.

। К обенности расчета механических и добавочных потерь для раз-
ных чшов синхронных машин рассматриваются в курсах проектиро-
ни синхронных машин [7].

I и ‘Ффициент полезного действия генератора

У Р

<4'62)
НОМ / J

N /’ — сумма потерь:

- P3l + Pf + Р„ + Лех + Лое + Лоб ,	(4.63 )
здесь РЭ1 — электрические потери в обмотке якоря; Pf — электрич «•»
потери в обмотке возбуждения; Рст — потери в стали; Рмех — мехппи |
ские потери; Рпов — поверхностные потери; Рдо6 — добавочные потери

Характеристика т) =ХЛюм) аналогична показанной на рис. 1.90. Ц||
крупных синхронных машин КПД достигает 98—99%.

4.9.	Векторные диаграммы неявнополюсных
синхронных генераторов

Процессы электромеханического преобразования энергии в ih«
хронной неявнополюсной машине описываются в установившемся рг«»
ме уравнениями (4.9), (4.10) или более простыми уравнениями, полу •
ными из представления машины в виде четырехполюсника (см. рис. 4.4

В неявнополюсной синхронной машине зазор по продольной и IЛ
речной осям машины одинаковый и поэтому xd = xq = хс. Для ненасьпч •
ной неявнополюсной синхронной машины уравнения (4.9) могуз ныВ
записаны в следующем виде:

Ua=E0-jxcia-rala,	(It-

где £0 — ЭДС при холостом ходе.

Уравнения неявнополюсной синхронной машины (4.64) можно н|»в
ставить следующим образом:

Ua = £0 - jxad 'la - jxaaIa -raia.	Н <

Здесь xad — индуктивное сопротивление реакции якоря (xrf = xail I • _ ।
£0 - jxadia = Es — ЭДС воздушного зазора, которая также
^a+j^aia+raia-

Измерить Ё& нельзя, но ее нетрудно представить как напряжспн» *
выходе машины плюс падение напряжения на внутреннем сопротшим®
машины za = ra + jxaa, состоящем из активного га и индуктивного < о )
тивления рассеяния хоя обмотки якоря. С учетом сказанного из (4.65) J

Ua =Es-jxnaia-raia.	(IЙ

Для (4.64) и (4.65) может быть построена векторная диаграмма, В
казанная на рис. 4.40.

При холостом ходе на выводах генератора имеет место напри• -
£0. При нагрузке напряжение изменяется из-за реакции якоря, что х^В
|»|ипуется вектором
/I . Напряжение на

.кодах генератора 1)а
..^чается, если учесть

1 пне напряжения на
|Ы1||<>1 явлении обмотки
моря га. Падение напря-
1'пя на обмотке якоря
। шит из падения на-
Н|. жения на активном
♦«•противлении 1ага и ин-
« >1инном сопротивлении

Рнс. 4.40. Векторная диаграмма неявнополюсно-
го генератора без учета насыщения

Ьисяния(Дахм).

Падение напряжения на выводах машины в большой степени зависит
*< характера нагрузки. Векторная диаграмма рис. 4.40 построена для
. тайной индуктивно-активной нагрузки. Со стороны нагрузки
U1, I„zK. Характер нагрузки определяется углом <р между напряжением

и гоком 1а. При работе генератора на емкостную нагрузку реакция

— подмагничивающая, на векторной диаграмме вектор Iaxad, бу-
»i направлен в сторону, противоположную вектору Ua, и Ua будет
* Ч1.1ПС Ео.

Векторная диаграмма неявнополюсной машины построена без учета
•« мщения и соответствует (4.65). Диаграмму МДС можно построить,
* nt ншестна МДС якоря которая совпадает с током 1а. Магнито-
рижущая сила обмотки возбуждения перпендикулярна Ео, а результи-
мция МДС Fs' равна геометрической сумме Ff и Fa.

Магнитодвижущая сила якоря по 1-й гармонике (см. § 1.12):

Fa = 0,45/n,Zo^^-,	(4.66)

Р

I«. mi,, — число витков фазы обмотки якоря; £О| — обмоточный коэффи-
I hi но 1-й гармонике.

Рп шинный характер распределения МДС обмотки в воздушном зазо-
, • якоря и обмотки возбуждения вдоль поверхности статора не позволяет
р и (рически складывать МДС этих обмоток; МДС FJ и Fj можно
• и 11. только после приведения их к единой базе — одинаковому виду
Рис. 4.41. К определению Fj
неявнополюсной синхронной
машины

распределения. В качестве базовой можн<
взять любую обмотку — якоря ИЛИ 1IOI
буждения. В теории электрических ми
шин равноправно используются оба пол
хода. При одном подходе выполняет
приведение МДС обмотки якоря к MJI1
обмотки возбуждения. Для явнополюсш4|
конструкции ротора коэффициенты при
ведения kad и кад [см. (4.36) и (4.37)| вн
осям d и q будут различными. В неявно
полюсной машине приведение МДС пи
мотки якоря к МДС обмотки ротора пр<>
водится в соответствии с (4.22) с помп

щью коэффициента реакции якоря ка = —, обратного по отношению »
kf

коэффициенту формы поля возбуждения:

Ffin - Fflm , ~ Ff\mka
к,

(приведенное значение МДС может быть обозначено штрихом).

При другом подходе осуществляют обратное приведение — МД<
обмотки ротора к обмотке якоря, имея в виду ее основную гармонику И
этом случае из кривой МДС обмотки ротора выделяют ее основную i up
монику. Так, при трапецеидальной форме МДС обмотки ротора (рн«
4.41) амплитудное значение основной гармоники в пренебрежении ну
пенчатостью кривой будет

где Wf— число витков обмотки возбуждения на один полюс.

Коэффициент реакции якоря

I

О  рл
8sin—

2

Ъ
где р = —.
т

Ввиду того что целью построения векторной диаграммы ока ши»
ется определение тока возбуждения Д при заданных U, I и cos <р, цел»
<|ц||>разно рассмотреть
л<н гроение векторной
чилграммы с приведе-
нном МДС обмотки
|кпря к обмотке воз-
уждения.

Векторную диа-
>|1||мму синхронной не-
нфополюсной машины

XXX

Рис. 4.42. Векторная диаграмма синхронного гене-
ратора с учетом насыщения

। учетом насыщения —
жнирамму Потье (рис.

4 I ’ • строят следующим
lOpIDOM.

Зная напряжение, ток и cos <р, для которых должна быть построена
пчорная диаграмма, определяют ЭДС воздушного зазора Еъ. Для этого
и>ходимо знать активное и индуктивное сопротивления рассеяния об-
лики якоря. Определив из векторной диаграммы ЁБ, по характеристике
циюстого хода находят F& — результирующую МДС воздушного зазора.
I лес, зная МДС реакции якоря Fa, коэффициент реакции якоря ка, мо-

v hi. и направление F6 (вектор £6 на векторной диаграмме перпендику-
pi'ii £s), определяют МДС обмотки возбуждения при нагрузке:

и- 4.43. Векторная диа-
I..MM.I синхронного генера-
при активно-емкостной
•*|ц 1ке

Обращаясь к характеристике холостого
хода, по FB определяют Ео. На векторной
диаграмме £0-1_£,.

Так же может быть построена вектор-
ная диаграмма для емкостной нагрузки
(рис. 4.43).

Векторные диаграммы дают возмож-
ность определить изменение напряжения
при изменении нагрузки, ток возбуждения,
необходимый для получения заданного на-
пряжения при изменении 1а, и cos <р, а также
построить внешние и регулировочные ха-
рактеристики. Чтобы построить внешние и
регулировочные характеристики, необхо-
димо построить векторные диаграммы для
нескольких значений токов нагрузки.
Векторные диаграммы были построены по уравнениям (4.64), (4 л||
описывающим процессы преобразования энергии при достаточно <><ид
ших допущениях: в воздушном зазоре учитывалась только 1-я гармонии
поля, не учитывались короткозамкнутые контуры на роторе и crniefl
при учете насыщения учитывалось только изменение взаимной инду!  
между обмотками статора и ротора. Большие допущения, заложенный
упрощенные уравнения, которым соответствуют векторные диацтимьЩ
дают возможность проводить лишь качественный анализ работы
хронных машин. Векторные диаграммы дают приемлемые резулыни
при расчетах крупных синхронных машин.

4.10.	Векторные диаграммы синхронных
явнополюсных генераторов

В явнополюсных синхронных машинах зазоры по продольной и м
перечной осям машины различны, поэтому амплитуда поля зависяi *
положения оси поля относительно оси полюсов. Смещение оси поли п*

ределяется реакцией якоря.

Для учета влияния реакции якоря в явнополюсных машинах А. Г>ш«
делем был предложен метод двух реакций. Метод двух реакций ocimafl
на разложении МДС якоря на две МДС — продольную и поперечна
действующие соответственно по продольной и поперечной осям мпип 1
(рис. 4.44). Синусоидальное результирующее поле в воздушном зазор. Д
машины можно создать, если изменить амплитуды продольного Ftt и
перечного Fq полей. При Fq = 0 Fp совпадает с продольной осью машин*
а при Fd = 0 — с поперечной.

Чтобы найти сосредоточенные МДС реакции якоря, действующие •

продольной и поперечной осям машины, разложим ток, протекающий i

якоре машины на две составляющие: продольную и поперечную ([>»

Рис. 4.44. Разложение результирующей МДС
Fp на продольную Fj и поперечную F, состав-

4.45). Соответствен^
найдем продольную и I*
перечную составляют!»
реакции якоря Fd и I
Чтобы определить при
денные продольные и 
перечные составляит*)
реакции якоря, надо b,t
Fq умножить на kob|i0
циенты приведения
продольной и поперечной осям машины:

Fad = Fd^ = F« sin	(л ,8Ч

F =Fka, =F„cosyit .] (4’68)
aq q aq a ~ aq J

। itr l'd и F4 — МДС по продольной и по-
III речной осям машины с равномерным
мощушным зазором.

Коэффициенты приведения по про-
чит.ной kad и поперечной kaq осям ма-
шины учитывают неравномерность воз-
г итого зазора и геометрию зубцовой
i<iih.i. По существу, вся сложность преоб-

Рис. 4.45. К определению МДС
и токов по продольной и попе-
речной осям машины

|>п ювания энергии в синхронной машине, обусловленная наличием спек-

ipn гармоник поля, несимметрией машины по продольной и поперечной

и мм, скрыта в коэффициентах приведения kad и kaq. В книгах по проекти-

рованию синхронных машин приводятся их значения в зависимости от
•и ношения длины полюсного наконечника Ьр к длине полюсного деления
I, числа полюсов р, формы полюсов [7]. Иногда учитывают влияние на-
 мщения на коэффициенты kad и kaq.

Коэффициенты kad и kaq определяют как расчетным, так и опытным

m 1см.

Векторная диаграмма явнополюсной машины может быть построена
ни уравнениям (4.64)—(4.68).

При известных значениях U, 1а и cos ср, откладываем 1ага (рис. 4.46).

H i продолжении отрезка ]1ахва (рис. 4.46) откладываем отрезок AD, равный:

। иг 4.46. Векторная диаграмма явно-
iriiiiocHoro синхронного генератора

Е„„	1„х„„

AD = -^- = -^- = Ix.
a aq
cosy cosy

Значение AD можно найти из

характеристики
(рис. 4.47)

холостого хода

Fakaq

cosy

Магнитодвижущей силе Fakaq
Е
соответствует ЭДС--— (рис. 4.46).

cosy

После того, как найдена точка D,
ее соединяют с началом диаграммы.
Рис. 4.47. К определению Ead, Fad,
F^d и ЭДС холостого хода Ео

На линии OD лежат векторы ЭДС Еы
Ёо и Ead . Чтобы найти модули этих л »
торов, из точки А на линию OD опускпнч
перпендикуляр АВ. Из треугольника
следует, что отрезок АВ представляе! < и
бой ЭДС .

Зная Esd, по характеристике холи
стого хода определяют F6d. Затем нахи
дат = kadFa sin у. После этого по
характеристике XXX, зная F&d и Fad, опр*
деляют , Ёо и Ё^ (рис. 4.47) и до< i

раивают векторную диаграмму (рис. 4.46).

Векторная диаграмма явнополюсной машины построена с учетом ин
сыщения. Из нее можно определить /у= Fod + Fad, необходимую для пи и
чтобы при нагрузке в обмотке якоря протекал ток нагрузки 1а при напри
жении U и заданном cos (р. В явнополюсной синхронной машине имени
место падения напряжения за счет продольной Ёад н поперечной Ёад рем*

ций якоря и на сопротивлениях обмотки якоря га и хаа. В соответствии с мен»
дом двух реакций ЭДС обмотки якоря на векторной диаграмме представали
ЭДС по продольной и поперечной осям Ёад и Ёад.

Диаграмма на рис. 4.46 построена для индуктивно-активной нагру»
ки. Аналогично можно построить диаграммы и для активной и актинии

емкостной нагрузок.

Без учета насыщения, если известны сопротивления xd и xq, вектор

ная диаграмма синхронной явнополюсной
машины может быть построена так, как
это показано на рис. 4.48. Эта упрощен-
ная векторная диаграмма дает достаточно
хорошие результаты при построении ха-
рактеристик крупных синхронных явно-
полюсных машин.

Приведенные диаграммы не исчер-
пывают встречающихся в литературе
вариантов построения векторных диа-
грамм синхронных машин. Однако все

Рис. 4.48. Векторная диаграмм*
синхронной машины без учти
насыщения

уточнения векторных диаграмм спра-
ведливы, если при этом изменяются
уравнения, описывающие процессы
Рис. 4.50. Векторная диаграмма
при коротком замыкании без учета
активного сопротивления обмотки
якоря га

Гис. 4.49. Векторная диаграмма при
‘орсгком замыкании

преобразования энергии. Недостатком всех векторных диаграмм яв-
и»г1ся то, что их строят для синусоидальных токов и напряжений без
• ipoioro учета высших гармоник в воздушном зазоре машины и на-
ннчня нескольких контуров на статоре и роторе по продольной и по-
перечной осям.

Векторные диаграммы при коротком замыкании являются частным
Мучаем рассмотренных диаграмм, когда U= 0 (рис. 4.49).

Вели пренебречь активным сопротивлением обмотки якоря, вектор-
Ьио диаграмму можно еще более упростить (рис. 4.50). При этом
/ „ jlKxc, где хс — индуктивное синхронное сопротивление, равное х</ в
•иночилюсной машине.

При коротком замыкании реакция якоря — размагничивающая и,
пренебрегая FSlt, можно считать, что Ff»Fa, поле в воздушном зазоре
щемится к нулю, машина ненасыщена (см. §4.8).

В последние годы, благодаря применению ЭВМ, решаются все более
। ножные системы уравнений, описывающие процессы преобразования
п||ргии в синхронных машинах, с учетом нелинейностей параметров,
п« кольких контуров на статоре и роторе и высших гармоник в воздуш-
ном азо» [4].

4.11. Параллельная работа синхронных машин

Синхронные машины, как правило, работают совместно с другими
них ценными машинами. Электрические станции объединяются в единую
|Н1|>1стическую систему, и все синхронные генераторы в такой системе
подключены через трансформаторы к общим шинам, к которым
через трансформаторы подключены синхронные и асинхронные двини»
ли. Общими шинами являются высоковольтные линии электропередач и

Объединенная энергетическая система России объединяет болышш
ство электрических станций. Мощность генераторов ОЭС России окна
200 млн. кВт. Она протянулась от северных до южных границ 1ШИМ
страны и на восемь часовых поясов с востока на запад. В первом приб'Я
жении ее можно представить в виде эквивалентного синхронного геи |
тора, а нагрузку — в виде эквивалентного сопротивления и эквива*Я1
ных асинхронных и синхронных двигателей.

Объединенная энергетическая система позволяет рационально иЦ
пользовать энергетические ресурсы целых районов, обеспечивает эконЯ
мичную и надежную работу электрических станций. При объединена,
электрических станций в единую систему обеспечивается экономична
покрытие суточных максимумов нагрузки, а также резервирование и ми
неврирование агрегатов электростанций. Все электростанции сисвмм
управляются с центрального диспетчерского пункта управления.

При исследовании процессов преобразования энергии в синхрошь
машинах, работающих параллельно с сетью, считается, что сеть имм!
бесконечно большую мощность, т.е. ее сопротивление равно нулю и н 
пряжение на выводах генератора остается неизменным при любых ре» и
мах работы. Работа отдельной синхронной машины, практически. 
влияет на сеть.

Синхронная машина после подключения к сети работает синхронно |
другими машинами. При этом частота вращения синхронных машин
ределяется числом полюсов. Двухполюсные турбогенераторы имеют 'нн
тоту вращения п = 3000 об/мин, а частота вращения многополюсных мЯ
60/
шин и =----- об/мин.

р

Рассмотрим синхронную машину, работающую вхолостую. При си»
хронном по отношению к частоте сети вращении ротора йс уравновент
вается Ёо (рис. 4.51, а) и в обмотке якоря машины ток /0 равен пуни
Если ротор машины начнет ускоряться, появится АЕ, которая в кош
сеть—машина создает уравнительный ток, и ротор снова займет пре* ни
положение (рис. 4.51, б). Если ротор замедляется, АЁ изменяет напрЯ
ление и уравнительный ток создает момент, ускоряющий ротор, которы|
возвратит машину в исходное положение (рис. 4.51, в).

Результирующая ЭДС ДЁ создает ток

ja = -j—,	(4.ПЦ
v — синхронное сопро-
|ц||||спие машины.

Гок определяется со-
при i пилением машины, так
мн сеть бесконечной мощ-
tm in имеет сопротивление,
рипное нулю. При этом учи-
н.ишегся только индуктив-
рп сопротивление синхрон-
ии» машины, так как актив-
Ним сопротивлением можно
орг небречь.

В рассмотренном при-
*|»рс момент сопротивления
налу машины Мс был ра-

Рис. 4.51. Упрощенные векторные диаграммы
синхронной машины, работающей параллель-
но с сетью бесконечной мощности:

а — холостой ход; б — режим генератора; в —
режим двигателя

if н пулю. В зависимости от момента на валу при параллельной работе
»нпхронная машина работает в генераторном, двигательном режимах, а
)1|ш Мс = 0 — в режиме синхронного компенсатора.

В генераторном режиме механическая мощность преобразуется в
ннмрическую. К валу машины приложен момент, который пытается
»> тлить частоту вращения ротора. Однако если машина работает в re-
in |ш горном или двигательном режиме при параллельной работе возника-
И противодействующий синхронизирующий момент, удерживающий маши-
in и синхронизме. Поле в воздушном зазоре деформируется (рис. 4.52).
11ш рузку машины можно характеризовать электрическим углом 0 между
bi I.K1 поля и осью полюсов. Этот угол принято называть углом нагрузки.

Вели пренебречь потерями в машине, можно считать, что отдаваемая
цеп. мощность равна мощности, сосредоточенной в воздушном зазоре.
’»!н мощность называется электромагнитной мощностью Рзм. Она может
лиц. определена из векторной диаграммы (рис. 4.51, б) как

I'hi 4.52. Параллельная работа синхронной
•Вицины с сетью:

। операторный, б—двигательный режимы

Рэм = mEoJa COSVp > 0 . (4.70)

Далее мощность Рзи бу-
дет определена так же, как
функция угла 0.

В двигательном режиме
к валу синхронной машины
приложен момент сопротив-
ления и электрическая энер-
гия, забираемая из сети, пре-
образуется в механическую
энергию. При этом
P3M=mEo1ocos\V<0.	('*'

Ось ротора отстает от оси поля (рис. 4.52, в), а угол 6 изменяет ший
Можно считать, что в режиме двигателя направление мощности изменяй
знак по сравнению с генераторным режимом. На векторных диаграмме*
рис. 4.51 это характеризуется изменением угла сдвига тока по отношении
к напряжению сети йс.

При параллельной работе активная электрическая мощность yp.iuiin
вешивается механической мощностью на валу машины, а момент ни вин»
машины уравновешивается электромагнитным моментом. МаксимальммЙ
момент, развиваемый двигателями, подключенными к сети, определи it ч
током возбуждения и параметрами двигателя.

В режиме синхронного компенсатора Мс = 0 и синхронная машине
работает как генератор реактивной мощности, отдавая или потребляя .. i
сети реактивную мощность.

Основным достоинством синхронных машин перед асинхронными
машинами является то, что в зависимости от тока возбуждения синхрон
ная машина отдает в сеть или потребляет из сети реактивную мощно.»
При перевозбуждении синхронная машина является по отношению к о i><
емкостью, а при недовозбуждении — индуктивностью. Подробно pacnj*
деление активных и реактивных мощностей в синхронной машине, рнЛяь,
тающей параллельно с сетью бесконечной мощности, рассмотрено »
следующем параграфе.

Для анализа сложных электромеханических процессов во множссм
электрических машин, работающих параллельно, энергетическую спи-
му представляют эквивалентным синхронным генератором, эквивалгш
ный ротор которого вращается с частотой сети, а нагрузку — эквивалент
ным асинхронным двигателем и активным сопротивлением. В энергией-
теме в установившемся режиме вырабатываемая мощность расходуется •
нагрузке и запасается во вращающихся роторах и виде кинетине»
энергии и в магнитных полях, причем соблюдается баланс между потр '•
ляемой и вырабатываемой мощностями.

При переходных процессах в энергосистеме изменение нагрузки >ц>
крывается изменением электрической энергии, вырабатываемой на им*
тростанциях.

В переходных процессах в энергосистеме важное значение имеп ifr
пасенная кинетическая энергия синхронно вращающихся масс роторе*
электрических машин. Стабилизация частоты системы осуществляет
путем изменения запасенной энергии. Однако для стабилизации наспим
может быть израсходована лишь часть запасенной в энергосистеме энерши. Я

Потеря 1 млн. кВт мощности в энергосистеме через 3—4 с привои#
к снижению частоты в энергосистеме примерно на 0,2%. Таким обрам
при постоянном напряжении в энергосистеме отклонение частоты от но-
минального значения свидетельствует о недостатке или превышении ге-
нерирующей мощности в системе.

Радикальным средством, повышающим устойчивость энергосисте-
мы. является запас установленной мощности на электростанциях и нали-
чие разветвленных электрических сетей с большой пропускной способно-
нмо, а также надежная работа электрических машин и трансформаторов.

4.12. Включение на параллельную работу
синхронных генераторов

. агрузка в энергосистеме изменяется в течение суток, недели и года.
По н ому есть блоки, покрывающие постоянную нагрузку, а другие вклю-
чим гея для покрытия пиков нагрузки. Постоянную нагрузку несут атом-
иыг станции, а турбогенераторы тепловых электростанций и гидрогене-
раторы на гидроэлектростанциях в течение года могут подключаться и
тмночаться от сети десятки и сотни раз в год.

11роцесс разгона синхронной машины большой мощности и ее син-
»|мн1изация оказывают значительное влияние на срок службы машины.
 pH 'рогании гидрогенераторов должно быть обеспечено образование
hi ня ной пленки, разделяющей вращающуюся и неподвижную части
l< i'iii ятника. Система контроля температуры масла обеспечивает надеж-
ную работу машины в процессе подхода ротора к синхронной частоте
«ритения. Процесс пуска крупных турбо- и гидрогенераторов длится не-
miijii.KO десятков минут. Процессы пуска и синхронизации, хотя и зани-
miikii по времени небольшую часть по сравнению с длительной работой
ннриллельно с сетью, которая может продолжаться без отключения в те-
► „не нескольких месяцев, снижают надежность работы синхронных ма-
it!" .юлыпе, чем длительная работа.

11роцесс включения генератора на параллельную работу с сетью —
ншчронизация машины — может быть точной и грубой.

11ри точной синхронизации необходимо соблюдать следующие условия:

I)	частота сети и частота генератора должны быть одинаковыми;

2)	напряжения сети и генератора совпадают по фазе и имеют одина-
 iiii.ie амплитуды;

<) порядки следования фаз сети и генератора должны совпадать.

11ри соблюдении этих условий генератор включается в сеть практи-
к и без бросков токов.

Равенство напряжений достигается путем ретулирования тока возбужде-
Ви синхронного генератора, а равенство частот — путем регулирования час-
Рис. 4.53. Контур сеть —
машина: Ео — ЭДС генерато-
ра; Ес — ЭДС сети

тоты вращения ротора генератора. На < iut
ции частота вращения изменяется за сч< <
изменения частоты вращения паровой
гидравлической турбин или за счет изм< и
ния частоты вращения приводного двига гели

При этих условиях в контуре сеть м»
шина сумма ЭДС равна нулю (рис. 4.5И
Говорят, что при синхронизации ЭДС п
дятся в противофазе, имея в виду, что
уравновешивают друг друга: Uc + Ео - 0.

Порядок следования фаз, равенство частот и напряжении сети и i<
нератора и фазовый сдвиг между йс и Ёо определяются синхроноскопа.
СН (рис. 4.54). При правильном чередовании фаз сети и генератора лщ
пы на рис. 4.54 гаснут одновременно. Если чередование фаз не соблюл
ется, на лампах имеет место бегающий огонь, когда лампы попеременн
зажигаются и гаснут. Равенство напряжений и сети фиксируется воли
метром, о расхождении напряжений можно также судите по ярк«п
ламп. Расхождение частот сети и генератора можно определить по чщ 
те мигания ламп. Схема с лампами используется при включении на пар |
лельную работу синхронных генераторов в/лабораториях учебных заведс.
на станциях используются специальные приборы.

На электростанциях широко применяется способ грубой синхрони, и .
или самосинхронизации синхронных генераторов СТ. При этом спо. В
включения генераторов на параллельную работу частота вращения неви’П> (
денного генератора доводится до примерно синхронной, а затем генер

подключается к сети при быстром вслед
После этого синхронный генератор сам
втягивается в синхронизм под действием
синхронизирующего момента.

При самосинхронизации имеют
место сложные электромеханические
переходные процессы. Кратковременно
в обмотках машины протекают пере-
ходные токи, превышающие номиналь-
ные значения, что сопровождается ме-
ханическими воздействиями на обмотки
и муфту, соединяющую генератор с
турбиной.

Способом самосинхронизации вклю-
чаются на параллельную работу генера-
торы мощностью до 500 МВт. Влияние

за этим включении возбуждения

Рис. 4.54. Схема включения иш
хронной машины на параплан
ную работу с сетью
переходных процессов на надежность машин учитывается при проекти-
|н нынии синхронных генераторов.

При самосинхронизации сокращается время, необходимое для под-
к'почения генератора к сети, а это важно для обеспечения надежной и
1МШОМИЧНОЙ работы энергосистемы.

4.13, Угловая характеристика. Синхронизирующая
мощность. Регулирование реактивной мощности

1ереходя к изучению характеристик синхронных машин, работаю-
щих параллельно с сетью бесконечной мощности, следует иметь в виду,
ни они принципиально отличаются от характеристик автономной син-
Ч'чиной машины.

Векторная диаграмма неявнополюсной синхронной машины при па-
I' пип чьной работе с сетью бесконечной мощности при синусоидальном
M'Vic в зазоре показана на рис. 4.55. Особенностью векторной диаграммы
♦интронной машины при параллельной работе с сетью является постоян-
♦ ши напряжения, так как напряжение сети не изменяется ни при каких
тиснениях в режиме работы машины.

Из векторной диаграммы для ненасыщенной машины

Рэм — mE0I cosy = mUI costp;

АВ [/sin 6
cos у =-----=--------.

Ix„ Ixr

I [одставляя значение cosy в выражение для Рэм, получаем

Г

Рэм -mU— sinQ.

(4.72)

(4-73)

(4-74)

• ответственно электромагнитный момент

L =^L = ^£^Lsine.(4.75)
fflc Xc

)лектромагнитная мощ-
am । ь и электромагнитный мо-
I in ишисят от U, Ео, хс и угла 6.
Hi иск горной диаграммы видно,
ми угол 6 — это угол между
I, и U, а также между Fj и

Рис. 4.55. Векторная диаграмма синхрон-

ной машины при параллельной работе с
сетью

гцитирующей МДС F или
Рм,М3

о е„ом 90°	180° е

Рис. 4.56. Угловая характеристика неявно-
полюсной синхронной машины

угол между осью полюса и 
симумом результирующего но»,
ка. Временному сдвигу на »-•
торной диаграмме соответиь »>
пространственный сдвиг
осью результирующего поли
шины и осью полюсов (см. р*»
4.52). Угол 0 определяет .ни»'
ную мощность машины и натмм
ется углом нагрузки.

По (4.74) может быть
строена угловая характера urn
Лм = /(0) (рис. 4.56). Из yi 
вой характеристики следуя^

что максимум электромагнитной мощности имеет место при 0 = 90°:

JM ШИЛ

ХГ

и соответственно максимальный электромагнитный момент

^ЭМПИХ

mU Ео
хс ’

(4 '

Максимальная электромагнитная мощность Рэм тах определяет при»»
статической устойчивости машины, т.е. ее способность оставаться в (м»
хронизме. Увеличение нагрузки за пределом статической устойчиво» ф
приводит к выпадению машины из синхронизма.

На угловой характеристике от угла 0, равного нулю, до 0 = 90° ।
положена устойчивая часть характеристики, а в пределах угла от 90 •
180° — неустойчивая часть характеристики.

Работа синхронной машины устойчива, если положительному (oipe
нательному) приращению Д0 соответствует положительное (отрицав rk
ное) приращение Р31Л, т.е.

ЛРзм

△0

>0.

Полнее это характеризует удельная синхронизирующая мощное и., ф
первая производная Рзм по углу (Вт/рад):

Р —= wt7—cos©.	(4 К

de

Зависимость синхронизирующей мощности от угла 0 показана па р»
4.56 штриховой линией. Синхронизирующая мощность удерживает маши*
в синхронизме. Она обеспечивает упругую связь машины с сетью.
Синхронизирующая мощность максимальна, когда Рэм = 0. Когда

чина находится на пределе статической устойчивости, т.е. электромаг-
•HI иля мощность равна своему максимальному значению, Рс = 0. Если
синхронизирующей мощности равен нулю, машина выпадает из
«кронизма и перестает работать как синхронный генератор. При выпа-
» пни из синхронизма <вр * <вс и наступает асинхронный режим. В асин-
biiiiuioM режиме синхронной машины должно быть снято возбуждение и

и режим для синхронных машин допускается кратковременно.

11 жинальная нагрузка синхронных генераторов обычно рассчитыва-
bi« а ппи угле 6 и 2Оч-ЗО°. Поэтому кратковременно машина может рабо-
i при 1,5—2-кратном увеличении нагрузки, не выпадая из синхрониз-
Р

»< < Иношение —эмш*|‘ называется статической перегружаемостью син-
^эм,ном

•(шиной машины. Статическая перегружаемость

эм шах

эм,ном

-----------------= окз

ном cos<pHOM

faotA

IfO COS<Phom

(4.79)

Выражение (4.79) получено при условии, что сопротивление обмотки
равно нулю и не учитывается насыщение.

( гатическая перегружаемость турбогенераторов мощностью до 300 МВт
rinifl быть не менее 1,7, а для турбогенераторов мощностью 5001200
• 1П| - не менее 1,6. Статическая перегружаемость гидрогенераторов —
 ниже 1,7.

< гатическая перегружаемость тем больше, чем больше ОКЗ, т.е. чем
••ныне xd или чем больше воздушный зазор.

Чтобы регулировать активную мощность синхронного генератора
и параллельной работе его с сетью, необходимо изменять момент на
И Illlliy.

1’е|улирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое
 нпжное значение, как и активной мощности. Реактивная мощность
•»и(|\оцима для создания магнитных полей в электротехнических устрой-
• I" |« шергосистемы, и распределение ее в установившихся и переходных
Ц‘К|ц се ах во многом определяет устойчивую работу энергосистемы.

11<>ле в синхронной машине, работающей параллельно с сетью, соз-
•> и н обмоткой возбуждения и реактивными токами, протекающими в
Вьппье якоря. Результирующее поле, как это видно из векторной диа-
ммы рис. 4.55, определяется МДС обмотки якоря и обмоткой возбуж-
Рис. 4.57. Векторные диаграммы при
регулировании реактивной мощности

дения. При изменении тока в обми»
ке возбуждения изменяется Ёо, >ци
приводит к изменению реактишиии
тока, замыкающегося в ко1п.|<
сеть—машина.

При увеличении тока в обм«нн
возбуждения (перевозбуждении м,
шины) вектор Uc не будет ypuniif
вешивать Ео и появится «избы г»М
ная» ЭДС ЛЁ = йс + Ёо (рис. 4.57, >0 I
которая вызовет появление реак I Ki
ного тока

.ЛЕ
-J—,
Хс

(4

где 7р —реактивный ток, отстающий от ЛЁ и напряжения генератора IJ(

По отношению к напряжению сети 7 — опережающий ток.

При уменьшении тока возбуждения (недовозбуждения мадии

Uc > Ёо (рис. 4.57, б) и реактивный ток 7р отстает от напряжения coin

Недовозбужденная синхронная машина по отношению к сети явли»
ся индуктивностью и «потребляет» из сети реактивную мощность.

В перевозбужденном синхронном генераторе, работающем hiijm
дельно с сетью, реакция якоря размагничивающая. Реактивные токи, Н|
текаюгцие в обмотках якоря, размагничивают машину и напряжения <

При недовозбуждении реакция якоря — подмагничивакищ

реактивные токи, протекающие в обмотках якоря, подмагничивают
шину и напряжение на генераторе по модулю равно напряжению сети
Зависимость тока якоря от

тока возбуждения I - При
Uc = const и постоянной активной
мощности Р называется U-образ-
ной характеристикой (рис. 4.58).

При увеличении тока возбу-
ждения от минимального значе-
ния сначала ток в обмотке якоря
уменьшается, доходит до мини-
мального значения, а затем воз-
растает. При недовозбуждении в

:. 4.58. С-образные характеристики
ипмогке якоря протекает реактивный ток, подмагничивающий машину.

• 1ри минимальном значении тока в обмотке якоря cos <р = 1. При этом в
ймогке якоря протекает активный ток, а магнитное поле в машине соз-
<Г1С1. только обмоткой возбуждения. При дальнейшем увеличении тока
«и каждения снова возрастает ток в якоре, реактивный ток в обмотках
торя создает размагничивающую реакцию якоря. Перевозбужденная
нншна по отношению к сети является емкостью. Она выдает в сеть реак-
HHIIVIO мощность.

На рис. 4.58 представлено семейство U-образных характеристик,
причем Р”>Р’>Р = 0. Границы работы недовозбужденной машины
определяются ее статической устойчивостью, а перевозбужденной — пе-

। Резочной способностью.

Возможность регулирования реактивной мощности путем изменения
10*41 обмотки возбуждения является одним из основных достоинств син-
||<)нной машины.

Одним из важных показателей, характеризующих синхронную ма-
йну, является зарядная мощность:

(4.81)

Mr I, — зарядный ток, создающий при работе на емкостную нагрузку,
hi исключенной обмотке возбуждения, номинальное напряжение на вы-
№1\ генератора.

Нм костной нагрузкой является разомкнутая линия электропередачи.
|Ь|Цключенный к разомкнутой линии синхронный генератор не должен
ммппозбуждаться при If = 0. Условие отсутствия самовозбуждения: за-
iniiiiH мощность линии должна быть меньше зарядной мощности генера-
b>ri, Л\л < S3r. Чем больше воздушный зазор машины, т.е. чем меньше

|см больше S3r. Генератор с меньшим значением xd может подклю-
чи,* я к более длинным линиям электропередачи.

4.14.	Электромагнитная и синхронизирующая
мощности явнополюсной синхронной машины

П процессах преобразования энергии в явнополюсной синхронной
ынипе, благодаря различию индуктивных сопротивлений по продольной
 нипгречной осям машины, имеются некоторые особенности. Векторная

||>.1мма явнополюсной синхронной машины при га = 0 дана на рис.
I iu в этой диаграмме ток в якоре представлен как сумма токов по про-
• ikiioii и поперечной осям машины:
Рис. 4.59. Векторная диа-
грамма явнополюсной син-
хронной машины при па-
раллельной работе с сетью

Ia cosy = Iq; Ia sin v = Id.	(4 H •)

Из векторной диаграммы

Рэм = mUIa cos ср = mUIa cos(v - G) =

= mJ(Ia cos\|/cosG+Ia sin4/sin6) =

= wC/(/?cosG + JdsinG) ;	(4 Mi

t/sinG

4~~x	’

4	(4 Mt

. _ Ee -C/cosG
h ~ ——.

xd

Подставляя значения токов Iq и Ц а
(4.83), получаем

mU2 . _ п mEJJ . . mU2 . .	_	.. Mrt

р  -----sinGcosG+—2—sinG-------sinGcosG. (4Ш|

x4	xd	xd

Так как sin2G = 2sinGcosG,TO

P = mU—sinO + -W - f—---—lsin2G.

xd	Xq Xd J

Из (4.86) следует, что для явнополюсной синхронной машины ’икф
тромагнитный момент:

. г mU Ео . mU2 fl 1 ) . _	..

M3 =--------sinO-i------------sin2G. (4 I

Xd	xq Xd J

Рм и Мзм в явнополюсной машине зависят не только от возбуждения, ио«

от различия параметров по продольной
и поперечной осям машины.

Угловая характеристика явнополюс-
ной синхронной машины представлена на
рис. 4.60. Мощность Рэм имеет две состав-
ляющие, изменяющиеся по закону sinG и
sin 20. Вторая составляющая создает ре-
активный момент. Перегрузочная способ-
ность в явнополюсной машине за счет
реактивной составляющей выше, чем в
неявнополюсной машине. Однако угол G,
при котором имеет место Рэм т^, меньше и

равен 70—80°.

Рис. 4.60. Угловая характериг!*
ка явнополюсного синхрошн

генератора
Рис. 4.61. Обра-
зование реактив-
ного момента

Удельная синхронизирующая мощность явнопо-
IIIII пой синхронной машины равна:

=wt/b.cos0 + wt72  ------ |cos20. (4.88)

t/9 xd	xd)

Зависимость синхронизирующей мощности явно-
in ниосной машины от угла нагрузки показана на рис.
160. Как и Рзм, синхронизирующая мощность имеет
мпксимальное значение большее, чем у неявнополюс-
III iii машины. Явнополюсная машина по сравнению с
и иннополюсной (рис. 4.60) выпадает из синхронизма
П|>|| меньшем угле 0. Из-за реактивного момента, обу-
I ^пленного различием магнитных проводимостей по
продольной и поперечной осям, явнополюсная машина

при небольших нагрузках может удерживаться в синхронизме при отсут-
। пши возбуждения. При этом первый член в (4.87) равен нулю и остается
niiiiib реактивная составляющая (рис. 4.60), которая при малых нагрузках
>цсрживает машину в синхронизме. Образование реактивного момента
тжсняет рис. 4.61. Несимметричный ротор стремится занять положение, при
инором энергия магнитного поля будет максимальна, зазор при этом мини-
miliich. Ротор в виде цилиндра нейтрален к положению в магнитном поле.

U-образные характеристики явнополюсной машины имеют тот же
•ни, что и у неявнополюсной машины.

Рассмотренные характеристики синхронных машин относились к па-
рни цельной работе синхронной машины параллельно с сетью бесконеч-
iiiili мощности. Параллельная работа двух или нескольких машин соизме-
нмой мощности для анализа сложнее, так как изменяются и напряжение,
И чистота на шинах генераторов. Регулирование нагрузки или возбужде-
нии на одном из генераторов вызывает изменение режима работы другого
11 ш ратора и появление уравнительных токов. Параллельная работа двух
н in нескольких генераторов имеет место в автономных энергосистемах.

4.15.	Синхронные двигатели

Синхронные машины, как и другие электрические машины, обрати-
мы. г.е. они могут работать как в двигательном, так и генераторном ре-
• iiMiix. Однако электропромышленность выпускает синхронные машины,
i|H'лиаз каченные для работы только в генераторном или только в двига-
. iii.iioM режиме, так как особенности работы машины в том или ином
ptibнме предъявляют различные требования к конструкции машины.
Синхронные двигатели чаще работают в пусковых режимах и дон»
ны развивать больший пусковой момент, чем генераторы. Это накла и.нн
ет определенные условия на конструкцию ротора: демпферную (н •*
вую) обмотку синхронных двигателей рассчитывают на большие i -ин I
более длительный режим.

Для возбуждения синхронных двигателей используется электром.
шинная система возбуждения или тиристорная система возбуждении II
электромашинных системах возбуждения якорь возбудителя — генери н
ра постоянного тока — соединяется с валом синхронного двигателя «Mif*
ко или в тихоходных машинах — через клиноременную передачу, мн
рая обеспечивает увеличение частоты вращения возбудителя и сниж* ик
его массы. Системы возбуждения синхронных двигателей принцип пинии»
не отличаются от систем возбуждения генераторов и подробно рас* мо
риваются в § 4.22.

Уравнения синхронного двигателя отличаются от уравнений i пн
хронного генератора (4.1)—(4.3) лишь тем, что в них изменяется
момента сопротивления.

Чтобы из генераторного режима перейти в двигательный, надо и |
нить знак момента сопротивления, приложенного к валу синхронной ч*
шины. Тогда изменится знак угла 6 и направление активной мощно* н»
машина начнет потреблять мощность из сети.

На угловой характеристике (рис. 4.62) область двигательного режнми м
ходится в зоне отрицательных углов 0. Устойчивой частью угловой xnpt >•
ристики в двигательном режиме является область от 0 до -90°. Номипап» •*
момент, соответствующий 0НОМ, находится в области 20—30°. Двипн» и |
неявнополюсным ротором имеет максимум момента при 0 =-90°:

А/	_ ЭМП1.

J х эм max
®е

Рис. 4.62. Угловая характеристика синхрон-
ной машины

®с Xd

Максимальный м< »м> «Й
зависит от размера во щунни
го зазора двигателя 'I
больше зазор, тем менып г»
больше Мэм 1пах. Однако пр»
большом зазоре растут iHi
риты машины. Предел i «*>•«
ческой устойчивости

к„ =	. (4

Удельный синхрона ti»i ♦
ющий момент, как н
►4>,i горном режиме, максимален
0 = 0 и равен нулю при 0 = 90°.

। Для явнополюсного двигателя за-
» нмость Мс, Мт = /(0) имеет такой
> иид, как и для генератора (см. рис.
ДО), но располагается в зоне отрица-
mii.ix углов 0.

11 образные характеристики син-
r .иных двигателей имеют тот же
•но и для генераторов (см. рис.
К) 11ри перевозбуждении синхрон-
М двигатель по отношению к сети

Рис. 4.63. Рабочие характеристики
синхронного двигателя

циня емкостью, недовозбужден-

ii двигатель потребляет из сети реактивную мощность, являясь по от-

||> пню к сети индуктивностью. При недовозбуждении реакция якоря в
ронном двигателе — подмагничивающая, при перевозбуждении —

мп! пичивающая.

Важное значение для исследования процессов преобразования энер-
н синхронных двигателях имеют рабочие характеристики (рис. 4.63).

I и him нагрузки на валу двигателя увеличивается момент и ток в якоре,
. ... по линейному закону, а затем из-за изменения параметров — по

инейному закону. Если не изменяется cos <р может падать, расти или
Ьрн. максимум. Это зависит от значения If к может быть прослежено по
1 i npii шым характеристикам: при увеличении Р2 — переходе с одной U-
нной характеристики на другую cosip изменяется, так как из-за внут-
totirio падения напряжения кривая coscp = 1 смещается в область боль-
 н.п рузок (см. рис. 4.58). При изменении If можно получить постоян-
I ншчение cos ф при разных Р2 (рис. 4.64). Кривая 1 на рис. 4.64 соот-
ииуег работе синхронного двигателя с постоянным током возбужде-
• • и nine недовозбуждения на U-образных характеристиках, кривая 2 —

I 4 (»4. Зависимости cos ф син-
•iiihii и двигателя от нагрузки

работе синхронного двигателя с пере-
возбуждением; кривая 3 возможна при
регулировании тока возбуждения.

Зависимость КПД от нагрузки та-
кая же, как и для всех электрических
машин.

Характерным отличием синхронных
двигателей является постоянство частоты
вращения при изменении нагрузки. Син-
хронные двигатели имеют предельно
жесткие механические характеристики.
Одним из основных недостатков синхронных двигателей н
плохие пусковые свойства, которые ограничивают их применение, !
синхроннных двигателей может быт“ь частотным, при помощи ра немев

двигателя или синхронные двигатели могут включаться на полное щВ|
жение сети (асинхронный пуск). Наиболее распространенным .юте
асинхроннный пуск. Вследствие наличия короткозамкнутых кончурЖЯ
роторе (демпферной обмотки, массивных полюсных наконечники») |H>. I
разгоняется до частоты вращения, близкой к синхронной. Обмочи 11
буждения при асинхронном пуске закорачивается на активное сспр •
ление. После подхода ротора к частоте вращения, близкой к синхр jfl I
(s и 0,05), обмотка возбуждения подключается к возбудителю и Лю
вляется грубая синхронизация машины.

Применяется также пуск с наглухо присоединенным возбуди гслм* |
этом случае при частоте вращения, равной (0,5+0,7)ином, в обмой •
буждения синхронного двигателя начинает протекать постоянны!!
машина втягивается в синхронизм. Пуск двигателя с наглухо при . -
ненным возбудителем сопровождается большими бросками токов и 
жет осуществляться, если нагрузка не превышает (0,4—0,5)А/НОМ (ЬиЛ
схема пуска с наглухо присоединенным возбудителем более пр 14 ।
находит все большее применение.

При тяжелых условиях пуска мощных синхронных двигателей
меняется реакторный или автотрансформаторный пуск по схему*
смотренным для асинхронных двигателей (см. § 3.14).

При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного дьи!
синхронный двигатель доводится до почти синхронной частоты лщ
ния. В качестве разгонного двигателя может использоваться асинхр ч
двигатель, имеющий большую, чем синхронный, синхронную ч ч i
вращения или двигатель постоянного тока, если есть сеть постояв
тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, 1м
разгонный двигатель используется только при пуске.

При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя |
ключается к преобразователю частоты, который изменяет часто|у *>
скольких герц до номинальной частоты. При частотном пуске « им ,
ный двигатель входит в синхронизм при малых частотах. ЧасготныЙ I
удобно использовать, если преобразователь частоты можно приМ' I
для пуска нескольких двигателей.

Сравнивая синхронные двигатели с асинхронными, следует I
основное преимущество синхронных двигателей — возможно! гь 11

тать с cos <р = 1, а при перевозбуждении — и с опережающим cos ф, 1

Максимальный момент синхронного двигателя пропорциона 1в-н
асинхронного — U2. Поэтому синхронные двигатели менее чувспнп^
ны к изменению напряжения сети и имеют большую перегрузочную I
кт гь. Регулирование потока возбуждения путем изменения тока воз-
/ИЧ1ИЯ обеспечивает регулирование реактивной мощности при паде-
кинряжения и уменьшений частоты сети.

Недостатком синхронных двигателей является их более сложная
|рукция, необходимость в источнике постоянного тока и худшие по
тению с асинхронными пусковые свойства.

11ри мощности двигателей от нескольких киловатт до 100 кВт прояв-
н м еще один недостаток синхронных двигателей — склонность к ка-
ким. При определенном соотношении параметров синхронных двига-
II ротор покачивается около синхронной частоты вращения.

( инкронные двигатели при условии легких пусков целесообразно при-
а и. при мощности свыше 200 кВт. Области применения синхронных дви-
тей непрерывно расширяются, и их мощности возрастают до 50 МВт.

< инхронные двигатели мощностью до 1—2 кВт выполняются с яв-
1НШОСНЫМ ротором без обмотки возбуждения. За счет различия прово-
чн tn по продольной и поперечной осям машины в таких машинах
ткнет реактивный момент, а асинхронный пуск обеспечивается
пферной обмоткой.

I In рис. 4.65 показаны две наиболее распространенные конструкции po-
ut синхронных реактивных двигателей. Четырехполюсная конструкция
цы (рис. 4,65, а) имеет стальной шихтованный явнополюсный магнито-
ц|д / и демпферную обмотку 2. Двухполюсный шихтованный ротор, за-
ili шпоминием, дан на рис. 4.65, б. Сердечник ротора 3 заливается алюми-
И •/. который скрепляет сердечник и образует демпферную обмотку.

(’гик гивные двигатели имеют низкие cos <р и КПД (г; = 0,3+0,4), их
m Польше, чем у обычных трехфазных асинхронных двигателей.

Вместо электромагнитного возбуждения можно применять постоян-
Miii ниты. Серии двигателей с постоянными магнитами выпускаются
«И111ЮСТИ от десятков ватт до нескольких киловатт. Они имеют луч-
> шергетические показатели по сравнению с реактивными.

Дня обеспечения пускового момента двигатели с постоянными маг-
ами имеют пуско-
। (iCiMOTKy в виде бе-
м й клетки, залитой
пишем. Ротор из
ин io твердого мате-
 изготовляется
им питья из специ-
IH.IK сплавов. Этот
iwn трудоемкий,
ниму ротор имеет
ndvio стоимость.

Рис. 4.65. Конструкции роторов синхронных реак-
тивных двигателей
4.16. Синхронный компенсатор

Для создания магнитных полей в электротехнических устроЖi•и
энергосистем необходима реактивная мощность. Основными источим»
ми реактивной мощности являются синхронные машины и конденшнЛ
Конденсаторы дороже синхронных машин, имеют большие габаршм <
меньшую надежность, хотя и являются статическими устройствами, I
точники реактивной мощности желательно иметь ближе к месту noij •
ления реактивной мощности. Поэтому невыгодно использовать си>|*|М
ные генераторы в качестве источников реактивной мощности, щ» »•
реактивные токи загружают линии электропередачи и синхронные
раторы.

Целесообразно в качестве источников реактивной мощности ш. по )
зовать синхронные машины, работающие как источники или потреби мЛ
реактивной мощности. Такие машины называются синхронными ком»»

саторами.

Конструктивно синхронные компенсаторы выполняются так же,
синхронные генераторы. Отличие состоит в том, что они не имеют выХила
конца вала. Мощность синхронных компенсаторов 10—345 МВ-А при
пряжении 6,6—15,75 кВ, частота вращения 750—1000 об/мин. Наиб»
распространенное исполнение — горизонтальное с явнополюсным |м
ром. Так как вал не передает вращающего момента, он может иметь мены
диаметр, что дает возможность уменьшить размеры подшипников. Ouv
вие выходного конца вала облегчает герметизацию машины, поэтому и i

хронных компенсаторах широко применяется водородное охлаждение.

Уравнения синхронного компенсатора отличаются от урапп
синхронного двигателя лишь тем, что в них = 0 (если пренебречь

ханическими потерями).

Векторные диаграммы синхро» ’
го компенсатора при недовозбу i
и перевозбуждении показаны нА i«
4.66, а, б. Индуктивное сопротипмiM
синхронного компенсатора

принять равным х^.

Рис. 4.66. Векторные диаграммы
синхронного компенсатора

//-образная характеристика |
хронного компенсатора (рис. 4 6)
отличается от соответствующей хп|<
теристики синхронного двигателя I
Ра = 0. Ток синхронного компенс»Н
имеет небольшую активную со< i
ляющую, которая идет на пок|М<
потерь в компенсаторе. Энергия, в]
• < идет на покрытие механиче-
жх потерь, потерь в стали и ме-
|ц(>ирается из сети. По отно-
iHiio к номинальной мощности
«чропного компенсатора актив-
। мощность составляет не более
При недовозбуждении
i>i<ipoiiiibifi компенсатор по от-
III шио к сети является индукгив-
> Цао, а при перевозбуждении —
нос I ыо.

11ри снижении напряжения
«и синхронный компенсатор при

Рис. 4.67. U-образная характеристика син-
хронного компенсатора при Uc=const

< oust отдает в сеть большую реактивную мощность, чем при номи-
Й1Мюм напряжении. При повышении напряжения сети выше номиналь-
но шачения синхронный компенсатор уменьшает отдачу в сеть реак-
мюП мощности При автоматическом регулировании тока в обмотке
•щж дения стабилизирующие свойства синхронного компенсатора

• 1Ч1Щ110ТСЯ.

11олная номинальная мощность синхронного компенсатора

‘-’'ном ^ном-^ном '

(4.91)

Она имеет место при работе компенсатора с перевозбуждением,
«(большее значение мощности и тока в статоре при недовозбуждении
•г । место при токе возбуждения, равном нулю, когда Ё = 0. В этом
гчкс из векторной диаграммы (рис. 4.66)

j__j

xd

нпкпая мощность при недовозбуждении

U1

S =	(4.92)

< пихронные компенсаторы работают при угле нагрузки 6 ~ 0, и нет
нбчодимости заботиться о его статической перегружаемое™. Так как в
мотах синхронного компенсатора протекают реактивные токи, кото-
I» не создают динамических усилий, крепление лобовых частей менее
нчное, чем в турбогенераторах. Для снижения тока возбуждения син-
юшные компенсаторы обычно выполняются с несколько меньшими воз-
Бншыми зазорами, чем синхронные двигатели, поэтому у синхронных
Mnci (саторов 1,8ч-2,5.
Рациональное распределение реактивной мощности в сетях мам
синхронными компенсаторами, генераторами, конденсаторами и двш« *
лями имеет важное технико-экономическое значение.

4.17. Несимметричная нагрузка трехфазных
генераторов

Несимметричная нагрузка имеет место при неравномерном вьчк •
нии по фазам нагрузки, что приводит к различию токов в фазах генг|
ра. Обычно это получается при включении однофазной нагрузки (>и>*
трических печей, тяговых подстанций, осветительной нагрузки) в «
фазную сеть, а также при несимметричных коротких замыканиях.

При исследовании установившихся несимметричных режимов «пи
метричных синхронных машин применяют метод симметричных со(
ляющих. Несимметричную трехфазную систему токов можно пре •
вить состоящей из трех симметричных систем (рис. 4.68, а):

Л -Лн+Лг+Лкп
Л = Л1 + Л 2 +Ло’
Л — Л| + Лг + Ло>.

(Ш

где /а1, /Ь1, 1с1 — токи симметричной системы токов прямой последи»»
тельности (рис. 4.68, 6); /о2, 1Ь2, 1с2 — токи симметричной сии I
токов обратной последовательности (рис. 4.68, е); 1а0, 1Ь0, 1с0 — ни
нулевой последовательности (рис. 4.68, г).

Складывая векторы симметричных составляющих тока прямой, 4

Рис. 4.68. Несимметричная трехфазная система, состоящая из трех симметричны
Р>(|(ой и нулевой последовательностей, получаем несимметричную сис-
»му (рис. 4.68, д').

Гоки различных последовательностей из (4.93) через несимметрич-
ное фазные токи выражаются следующим образом:

А.=|(А + < + «2А);

А2=|(А+«2А+«А);

А0=|(А+А+А);

Ai= Ai° ’ ^с1~Ц\а>
ita=ia-ia’ ia~itaa >

Ao— Ao ~ 1 <л >

(4.94)

В симметричных электрических машинах при несимметричных нагруз-
И1 подобные же соотношения связывают несимметричные фазные напряже-
м (Са, Uь, Uс) с их симметричными составляющими (Uo, Ut, 11г).

В симметричных машинах напряжения прямой, обратной и нулевой
псдовательностей связаны законом Ома с симметричными состав-
шощими токов 7,, 1г, 10 (индексы фаз здесь и далее опущены):

~ £о + Azi >
A2 = Z2z2;

(4-95)

(4.96)

Ao = Zozo,	(4.97)

) j,, z2, z0 — сопротивления прямой, обратной и нулевой последова-
» |1.постей синхронной машины.

Поля в воздушном зазоре от токов прямой и обратной последова-
вчмшстей вращаются в противоположные стороны и электромагнитные
Нш с ротором оказываются различными. Обычно при расчетах счита-

Ч1о обмотка возбуждения разомкнута, а при проведении опытов —
1»п|>пчивается на сопротивление. Поле нулевой последовательности от-
yiiii гея от полей прямой и обратной последовательностей, оно создает в
Ищи* пульсирующее поле, близкое к полю рассеяния трехфазной обмот-
и 11о >тому в синхронных машинах сопротивления прямой, обратной и
ной последовательностей отличаются друг от друга.

1 <>ки прямой последовательности создают в зазоре рабочее поле,
Ьппющееся синхронно с ротором. При симметричной нагрузке сущест-
вуют только токи прямой последовательности. Индуктивными coupon*
лениями прямой последовательности явнополюсной синхронной мании*
являются сопротивления xd ц хч, а для неявнополюсной хс.

Сопротивление прямой последовательности включает активно? •
противление rt фазы обмотки якоря и для неявнополюсной машины ранчо

zi =rx+jxQ,	(1 «tl
а для явнополюсной машины	
zia =rx+jxd',	(<lfl
^=rx+jx4,	(I 111

где z1A zXg — сопротивления прямой последовательности по осям d и </
Токи обратной последовательности создают в воздушном зазор,*
ле, вращающееся в сторону, противоположную вращению ротора с < м
хронной частотой вращения и скольжением s = 2. Сопротивление оорл
ной последовательности

z2 = r2 + jx2,

где г2, х2 — активное и индуктивное сопротивления обратной последв
тельности.

Активное сопротивление r2 > rt, так как в г2, входит и составляет
потерь в роторе из-за протекания токов обратной последовательно'
контурах ротора. Активное сопротивление обратной последовательи
определяется по потерям, которые при наличии обратной последов.пи»
ности больше в основном за счет электрических потерь в демпф, рн >
обмотке.

Индуктивное сопротивление обратной последовательности х2 • <I
Токи обратной последовательности в демпферной обмотке имеют ч<и I,
f2 = 2fx и создают поле, неподвижное относительно поля обратной ПЯ I
довательности статора. Токи обратной последовательности ротора <и 
ляют поле обратной последовательности статора, тем самым умепмн*
несимметрию.

Индуктивное сопротивление обратной последовательности бли i»u|
индуктивному сопротивлению рассеяния обмотки якоря х2 « хва. С<ш|
тивлегие х2 примерно равно сверхпереходному сопротивлению, коп,, 
рассматривается в § 4.19.

Опытным путем сопротивление обратной последовательности "пр
деляется при вращении ротора с синхронной частотой вращения прщ,м
поля. При этом измеряются симметричные напряжения и токи в ст. i цп |
потери. Зная и и потери, определяют г2. Делением фазного напряг
на ток находят z2, а затем определяют х2 = Vz2 ~гг 


В явнополюсных синхронных машинах сопротивления обратной по-
ювательности по продольной и поперечной осям отличаются друг от
11.1 z2d * zlq. При определении z2 явнополюсной синхронной машины

•но воспользоваться следующими соотношениями:

Г 1	1

----+----

< Z2d Z2q ,

2d + Лу _ Uj

2	~ 2

Л -

(4.102)

l 12 — средний ток, который может быть определен опытным путем
и сращении ротора против поля, когда можно считать, что статор под-
шчен к сети бесконечной мощности.

Из (4.102) следует

й2
z2=r2+jx2=-^~

2z2dZ2q

Z2d + Z2q

(4.103)

В современных синхронных неявнополюсных машинах в относи-
li.iu.ix единицах х2 = 0,12-1-0,18, в явнополюсных х2 = 0,2-1-0,4. Обычно
► л-2 и z2 в относительных единицах можно считать равным х2.

Гоки нулевой последовательности — переменные токи частоты сети,
пинающие по фазе. Они создают в воздушном зазоре синхронной ма-
411.1, так же, как и в асинхронных машинах, пульсирующее поле 3-й
н |ранственной гармоники и поля, кратные 3-й гармонике (рис. 4.69).
 и' нулевой последовательности наводит в демпферной обмотке токи
noii последовательности. Поле нулевой последовательности не созда-
пр.нцающего момента.

< 'ь 1ротивление нулевой последовательности

zo=ro+jxo,	(4.104)

) in. fc — активное и индуктивное со-
-IIUI 1ения нулевой последовательности.

Активное сопротивление г0 не-
ко больше активного сопротивле-

N обмотки якоря из-за потерь от токов
^t iioh последовательности в демп-
। ной обмотке. Можно считать, что

Индуктивное сопротивление Хо оп-
MUHerqa полями рассеяния обмотки
> л* и х0 » хаа. Из-за укорочения шага
ццчслойных обмотках х0 несколько
Ьыис vao.

Рис. 4.69. Поле и токи нулевой
последовательности
В относительных единицах в неявнополюсных синхронных мин»
х0 = 0,05 •*- 0,16, в явнополюсных 0,07—0,1.

Сопротивления нулевой последовательности опытным путем I
деляют при соединении последовательно трех фаз обмоток спиц
вращении ротора машины с синхронной скоростью. При этом

(<!

HI

где Uo, 10, Ро — соответственно фазное напряжение, ток и потери и <| .

Обмотки синхронных генераторов обычно соединяют в звезду,«Ь
левую точку заземляют через большое сопротивление. Поэтому го | •
левой последовательности отсутствуют. Вследствие этого при несжмв
ричной нагрузке существуют поля прямой и обратной последов» i •
стей. Обратная последовательность оказывает значительное влияв
работу синхронной машины.

Токи обратной последовательности, протекающие в контурах) «
создают потери, снижающие КПД машины. При значительной неги--»
рии нагрузки может возникнуть недопустимый нагрев демпфсршм •
мотки и массивных частей ротора. Так как обмотка возбуждения 
большое сопротивление, токи обратной последовательности в и |
большие и нагрев обмотки возбуждения этими токами небольшой,

В результате взаимодействия потока возбуждения и потока обрит яI
следовательности статора на ротор действуют знакопеременные нацвяе
двойной частотой сети. Эти силы вызывают вибрации и шум машины

Несимметрия нагрузки приводит к искажению симметрии нш>1 * •
ний, что в свою очередь приводит к увеличению потерь в машине.

Несимметрия нагрузки, при которой допускается длительная р;6<»1« >•
хронных машин, ограничивается нагревом и вибрациями машины. Г< и
пускает длительную работу турбогенераторов и гидрогенераторов с flfl
метричной нагрузкой, если токи фаз не превышают номинальных знич
разность токов в фазах не превышает 10% номинального тока фазы.

4.18. Несимметричные короткие замыкания

Несимметричные короткие замыкания являются предельным I
ем несимметричной нагрузки. При несимметричных корсням
к <ii иях установившие-
ИИЧ1 короткого замы-
। достигают макси-
П.1Х значений. Огра-
ин: токов короткого
) ипия в крупных
истемах является
II из трудных про-
|| >нергетике, Опре-



в . с с в с . в
а)	б)	в)

Рис. 4.70. Схемы несимметричных коротких за-
мыканий

в токов короткого замыкания проводим только с учетом сопротив-
ti.ll с инхронной машины.

I l.i рис. 4.70 представлены схемы наиболее распространенных коротких
Ьюший — однофазного короткого замыкания (рис. 4.70, а), двухфазного
Ьичио замыкания (рис. 4.70, б) и двойного однофазного короткого замы-
|м dim хфазного короткого замыкания на нейтраль) (рис. 4.70, в).

11рч однофазном коротком замыкании UA - 0, 1В = 1С = 0. Симмет-
i«i.ir < оставляющие токов через ток короткого замыкания фазы А оп-
IИП1ПСЯ следующим образом:

	I Л + R + Г i Л

=	(4.108)

г _^А+^Ва+^Са	_л.	(4.109)
1 Л1	$	з ’	
• _ 1А+1ва +1са  1А2	3	= Л  з ‘	(4.110)

I щ да ток однофазного короткого замыкания

7 =----—------.	(4.111)

Z] + z2 + z3

। ИЧ.1ЧНО индуктивные сопротивления много больше активных сопро-
I nun. поэтому можно считать z] = jxd; z2 = jx2; z0 = jx0. При этих
►•iihx ток короткого замыкания будет чисто индуктивным. Он создает
В* 'Iи iyii > размагничивающую реакцию якоря.

11|>и двухфазном коротком замыкании линейное напряжение UAB = 0

Вн /„ = -1А, а 7С = 0 (рис. 4.70, б). При этом

L=^(l-«); 4=^(1-«2);	Ло=|(Л + /в) = О.

I ик двухфазного короткого замыкания
Рис. 4.71. Характеристики не-
симметричных коротких замы-
каний

 _
А ~
Zl+Z2

При двойном однофазном кор
замыкании (рис. 4.70, в)

Йл=0;	4 = 0,

При этом



I* + а^в . г _
»	1 А1 _

Ъ» -

з

’	_ 1А~Г JB

АО $

Тогда

i 43eJz2+z*+z2z0

Z1Z2 Z0Zl + Z2Z0

<4

Наибольший установившийся ток в синхронной машине имесч •
при однофазном коротком замыкании, а ток двойного однофазно»
роткого замыкания больше тока симметричного трехфазного кор»
замыкания (рис. 4.71), что следует из (4.111)—(4.113). Это обьмн
тем, что размагничивающая реакция якоря больше при симмс1ри
трехфазном коротком замыкании и наименьшая — при однофазно
ротком замыкании. За счет реакции якоря происходят уменьшение и
зазоре машины и снижение напряжения на выходе машины.

На основании полученных выражений для токов несиммсцм
коротких замыканий могут быть предложены комплексные схемы

щения, включающие со-
противления различных
последовательностей (рис.
4.72, а—г). В этих схемах
генератор представлен в
виде источника ЭДС и
последовательно z} и па-
раллельно z0 и z2 вклю-
ченных сопротивлений.
По комплексным схемам
замещения удобнее счи-
тать токи коротких замы-
каний в сложных системах.

Наиболее опасны для
синхронной машины внут-

Z1

3£

a2|

в) I----------L_

Рис. 4.72. Комплексные схемы замешн
симметричных коротких замыканий:
а — трехфазное; б — однофазное; в — двухфы
двухфазное на нейтраль
tone несимметричные короткие замыкания, когда часть витков обмот-
. .мыкается на корпус или происходит замыкание части витков двух
| обмотки. Внутренние несимметричные короткие замыкания обычно
мюди1 к пожару обмотки и стали и тяжелой аварии синхронной маши-
I I прантией от аварий, связанных с внутренними несимметричными
। ж им и замыканиями, является высококачественное изготовление
I ровных машин на электротехнических заводах.

Переходные процессы в синхронных машинах

11среходные процессы в синхронных машинах возникают при изме-
»1ии нагрузки, синхронизации машины и различных аварийных режи-
Ц|учение переходных процессов необходимо для проектирования и
нутации синхронных машин.

II § 4.2 рассмотрены дифференциальные уравнения синхронной ма-
Ьы, решение которых дает ответы, практически, на все вопросы, кото-
| возникают в практике. Уравнения (4.1)—(4.8) не имеют аналитиче-
И и решения. Их можно смоделировать на ЭВМ.

В настоящее время теория переходных процессов в синхронных ма-
кых разработана достаточно хорошо. Имеются стандартные програм-
) щнноляющие исследовать динамику с учетом нескольких полей в
чином зазоре, нелинейностей и нескольких контуров. Большой вклад
у.' ыпие переходных процессов в синхронных машинах внесли совет-
> ученые А. И. Важное, И. А. Глебов, Е. Я. Казовский, Г. А. Сипайлов,
И 1рещевидр.

Моделирование уравнений синхронных машин осложняется наличи-
| tprx пяти контуров и различием параметров по осям d и q.

uiiiiicTBa задач необходимо учитывать изменение параметров в пере-
Li.ix процессах. Исследование динамики синхронных машин на ЭВМ
ипривается в спецкурсах. Ниже переходные процессы в синхронных
инн |х разбираются качественно, без привлечения дифференциальных
НН'ПИЙ.

Гдссмотрим явления при трехфазном коротком замыкании на выво-
) Мишины. Симметричное трехфазное короткое замыкание обмотки
Ч « происходит при работе машины на холостом ходу, а частота вра-
ки а, насыщение и напряжение, приложенное к обмотке возбуждения,
М|М>'НЯ1ОТСЯ.

1I ри внезапном коротком замыкании можно считать, что потокосце-
• •и. обмотки якоря остается неизменным. Активное сопротивление
Ьн1К11 якоря значительно меньше индуктивного, поэтому в уравнении
Рис. 4.73. Состояния синхронной машины в оси d при переходном процессе

---— п,

dt

при г = 0

dt

и Т = const.

В первый момент короткого замыкания ток якоря создает магнит»«I
поток, который начинает проникать в ротор. Исходя из постоянства 
косцепления при изменении тока в статоре, можно сделать вывод, чИ
обмотках ротора возникает дополнительный ток, препятствующий » | >
никновению потока статора в ротор.

На рис. 4.73 показано два состояния, качественно характери^»
процессы в синхронной машине по оси d при переходном процессе И
изменении тока в якоре в первый момент демпферная обмотка прет I
вует проникновению потока в обмотку возбуждения. Это положен!» <•
ределяется сверхпереходным сопротивлением xd (рис. 4.73, а). II
того, как поток проник в демпферную обмотку, изменению его прсн»'«>
вует обмотка возбуждения. Это состояние машины характеризуется 1
ходным сопротивлением x'd (рис. 4.73, б). В установившемся ре.»-
машина имеет по продольной оси сопротивление xd (рис. 4.73, в).

Сверхпереходное индуктивное сопротивление по продольной <м и 

Рис. 4.74. Схемы замещения, характеризующие состояние машины в riq
ном процессе по оси d
переходное сопротив-
пис x'd характеризуется

петствующими схе-
мп замещения, пока-
тыми на рис. 4.74. Во
хемах замещения
||>01Ивления приведены
«и лютке якоря. Сверх-
срочное сопротивле-

Ь' определяется па-

цсиьным соединением

Рис. 4.75. Состояния синхронной машины по оси
q при переходном процессе

1М.1ИВНОГО сопротивле-

г?ш/, учитывающего влияние демпферной обмотки, и сопротивления х^,
, mi ающего влияние обмотки возбуждения на переходный процесс.

11ри отсутствии демпферной обмотки переходное сопротивление x'd

щляется установившимся сопротивлением реакции якоря Xad и со-
шчлением ка/, учитывающим демпфирующие свойства обмотки воз-
дения.

( 'противления ха/ и x2ad значительно меньше хЯ(/, поэтому
‘	< xd • В относительных единицах xd = 0,l-s-0,3, x'd = 0,25-5-0,4.

По поперечной оси машины при активном токе в обмотке якоря в
in ссе изменения тока в обмотках при постоянстве потокосцепления
in ссы протекают подобно тому, как они протекают по продольной
II начальный момент машина с демпферной обмоткой характеризу-
। сверхпереходным индуктивным сопротивлением x’q (рис. 4.75, а).
я1 чадное индуктивное сопротивление по поперечной оси машины х'
«меризует машину в переходном процессе без демпферной обмотки

1 75, б). Сопротивление х2п? характеризует демпфирующее влияние
пферной обмотки по оси q.

Дня сверхпереходного и переходного сопротивлений по поперечной оси,
•с, как и для соответствующих сопротивлений по продольной оси, могут
 предложены эквивалентные схемы замещения (рис. 4.76, а, б).

Хотя Xd > Хд, обычно
xd < х'ч . Это объясняется
тем, что по поперечной оси
меньше демпфирующих кон-
туров. Для турбогенераторов
х" = 0,12 -5- 0,25, а для гидро-
генераторов х'ч =0,15-5-0,35.

а)	б)

4 76. Схемы замещения, характеризую-
* ос гояние машины по оси q
Рис. 4.77. Схема опытного определения xd й x"q

щем поле обмотки статора и произвольном

Опытным путем
метры xd и х"ч Moiyi <Ш
найдены по данным
дующих опытов: I) н>.
запного трехфазного
кого замыкания; 2) окис
восстановления напри,
ния; 3) при пульсир
положении ротора; *1) 

пульсирующем поле обмотки статора и установке ротора в продолы и »<
поперечном направлениях. В последнем опыте осуществляют меди. ни
вращение ротора в пульсирующем поле статора при замкнутой амш рм»
ром обмотке возбуждения (рис. 4.77). При проведении опыта на мши»»

подают пониженное напряжение и по максимальному и минималым*

значениям токов находят сверхпереходные сопротивления:

х

п
d

и
21^

X»=JL

4 2/mta

(•I II

( I III

При повороте ротора ось поля попеременно совпадает с продош.»
и поперечной осями машины и ток определяется сопротивлениями •
продольной и поперечной осям машины. Близкие процессы имени ми>
и при коротком замыкании.

В машине без демпферной обмотки таким образом определи» >
Х'<1, И Х'ч 

Определение опытным путем индуктивного сопротивления oopni* |
последовательности и сверхпереходных параметров (см. § 4.18) оглпч-

ся лишь тем, что при определении Х2
частота вращения номинальная, а при
определении xd и х" — близка к
нулю. Значения х2 и xd обычно близ-
ки друг другу.

При коротком замыкании в токах
обмотки якоря есть периодические и
апериодические составляющие (рис.
4.78). Периодические составляющие
/п создают вращающееся поле, непод-
вижное относительно ротора. Апе-
риодические составляющие ian созда-

Рис. 4.78. Трехфазное корон»» •
мыкание синхронного генеран1|»
•и неподвижное относительно обмоток статора магнитное поле, которое
обмотках ротора наводит переменные токи частоты сети. Начальное
мпчение апериодических токов в фазах обмотки статора зависит от мо-
и-нга, когда произошло короткое замыкание. На рис. 4.78 показан мо-
кни короткого замыкания, когда апериодический ток максимален.

Наиболее опасно для синхронной машины ударное значение тока ко-
ри (кого замыкания, которое для машины с демпферной обмоткой может
бы 11, принято равным:

л/2-1,0517
Лл=1’8------

xd

• иии машин без демпферной обмотки

(4.117)

(4.118)

Иногда вводят понятие кратности ударного тока

111 (4.117)—(4.119) коэффи-
инг 1,8 учитывает затухание
нрподической составляющей
принимается на 5% завышен-
 (качение номинального на-
•ИЛСНИЯ.

11аибольшему воздействию
ыш короткого замыкания под-
pi аются лобовое части обмо-
• с гатора, которые в турбо-
№ риторах имеют большую
• пшу. Для уменьшения дефор-
«ПП11 лобовые части обмоток
иных синхронных машин
•«•кн усиленное крепление,
•нчродинамические усилия в
•м-11 ках пропорциональны
нчр.пу токов. Эти усилия стре-
•»|ч| отогнуть лобовые части
•••пики к торцевым частям

Вжипопровода. ГОСТ ограни- рис_ 4.79 токи синхронного генератора

•• н-i амплитуду токов корот- при трехфазном коротком замыкании
кого замыкания 7уд. Для машин мощностью больше 2 МВт /уд не дол.»
быть больше 15.

На рис. 4.79, а—в представлено изменение токов в обмотках <и»
хронной машины при коротком замыкании. Токи в фазах якоря им»*,
периодическую и апериодическую составляющие, затухающие каждш
своей постоянной времени. На рис. 4.79, а показано изменение тока «|ш<*
ia, когда апериодическая составляющая отсутствует. Переходные то«м •
обмотке возбуждения и демпферной обмотке изменяются по разным I
конам, зависящим от постоянных времени обмоток (рис. 4.79, б и в).

При анализе переходных процессов в синхронных машинах мо.»
говорить о достаточно большом числе постоянных времени. Так, для <4
мотки якоря постоянная времени для среднего значения x"d и х"ч :

xd + x”

Т = —ч-,	(4 I 

2®г„

при отсутствии демпферной обмотки

т = d ?

° 2<ог

(4 111

Вычисляют также постоянные времени обмоток якоря при разом»».
тых и замкнутых поочередно обмотках ротора.

Обмотки ротора имеют свои постоянные времени, а в явнополикяИ
машине рассматриваются еще и постоянные времени по продолын»! I
поперечной осям машины. Наиболее важные постоянные времени мй»«
ны указываются в каталогах.

Апериодические токи обмотки якоря наводят в обмотках ротора Ом»
менные токи, затухающие в обмотке возбуждения (рис. 4.79, 6) и в демщ I
ной обмотке (рис. 4.79, в), с разными постоянными времени. Демпф<
обмотка сглаживает колебания токов в обмотке возбуждения, предох|>«|
возбудитель от перегрузок по току и перенапряжений. Затухание апериолп*

Рис. 4.80. Момент синхронной машины при
коротком замыкании

ских токов зависит, в оспопиш
от активных сопротиппм^
контуров.

При коротком замьпыш»
токи, протекающие в оС«м>
ках статора и ротора, Си имя
ударные моменты, воин»,
вующие на вал машины I».
копеременные момешы I
коряют и замедляют рнм
(рис. 4.80).
11ри этом

Л/ж =М^е т“ sin cof,	(4.122)

। * /'„ — постоянная времени, определяющая затухание ударного момента,
« . и< ящая от постоянной времени обмотки возбуждения и обмотки якоря.

। ак как момент пропорционален токам в статоре и роторе, то

М

—^-5^15.	(4.123)

A/H0M

Такое увеличение момента в переходных процессах необходимо учи-
шу:пъ при расчете на прочность валов и муфт, соединяющих синхрон-
 генераторы с турбинами. Ударный момент, так же, как и электромаг-
мппый момент в установившемся режиме, приложен и к ротору, и к ста-
м|<у. поэтому болты, крепящие машину к фундаменту, должны быть рас-
 пианы на эти усилия.

Механические воздействия при коротком замыкании более опасны
* машины, чем тепловые, так как эти процессы кратковременные.

Переходные процессы в синхронной машине связаны не только с
к ©магнитными, но и электромеханическими процессами, сопровож-
цимися колебаниями частоты вращения. Исследование переходных
. uieccoB в синхронных машинах с учетом изменения частоты вращения
1М1>жно только с применением ЭВМ и рассматривается в спецкурсах [4,10].

4.20.	Переходные процессы при гашении поля

11ри коротких замыканиях внутри генератора или на его выводах ге-
»лгор отключается от сети. Но токи короткого замыкания при повреж-
мп.нх внутри машины или до выключателя остаются, и для их устране-
необходимо быстро снизить ток возбуждения до нуля. Этот процесс
»пинается гашением магнитного поля.

11ри гашении поля необходимо изменять ток в обмотке возбуждения
Ь определенному закону. Разрыв цепи возбуждения недопустим из-за
• pi напряжений, а также из-за того, что запасенная в магнитном поле
j и ня вызовет на контактах выключателя электрическую дугу, гашение
ырой потребует мощного дугогасительного устройства. Медленное
ншспие тока в обмотке возбуждения недопустимо, так как длительное
(•iii k 1ние аварийного тока приведет к тяжелым повреждениям машины,
ному необходимо изменять ток в обмотке возбуждения так, чтобы
«'напряжения были допустимы, а время отключения — минимальным.

На рис. 4.81 показана принципиальная схема возбуждения синхрон-
it <ераторов с автоматом гашения поля. При коротком замыкании
Рис. 4.81. Схема возбуждения с автоматом га-
шения поля:

В — возбудитель; Г— синхронный генератор; ОВГ—
обмотка возбуждения генератора; ОВВ — обмотка
возбуждения возбудителя; Л| — регулировочный резис-
тор; К|, Aj — контакты автомата гашения поля; Ri —
резистор автомата гашения поля

замыкается контакт Л| I
отключается контакт Я
Обмотка возбуждения •
хронного генератора
замыкается на резистор *
сопротивление котором! I
3—5 раз больше сопропч
ления обмотки возбуа*
ния синхронного гск,«
тора. При отключении ф
мотки ОВГ в перехид!Ы
процессе участвую! 
КОНТурЫ, В КОТОРЫХ М1И|Й

протекать токи. При разомкнутых обмотках якоря и демпферной обм» •
время переходного процесса будет определяться постоянной врем»»
обмотки возбуждения генератора

L

(4 1

'f

где L/, гр— индуктивность и активное сопротивление обмотки возбуждения

Чем больше активное сопротивление в контуре ОВГ, тем меньпи
и тем быстрее затухает ток в обмотке возбуждения. Время Та> для  ►
хронных машин равно 2-5-14 с, у турбогенераторов оно больше, чем у i ->
регенераторов.

При наличии демпферной обмотки и разомкнутой обмотки *»•
ря необходимо время переходного процесса определять из реик*м|
двух уравнении, соответствующих условной
схеме рис. 4.82:

гf + pLj	рМ

рМ ra + pL,

(4.125)

О

О

х

где if и i„ — токи в обмотке возбуждения и демпфер-
ной обмотке; Lm гд — индуктивность и активное со-
противление демпферной обмотки; М — взаимная
индуктивность между обмотками.

Затухание тока в обмотке возбуждения с учетом
демпферной обмотки определяется постоянной вре-
мени ZJo.

При учете замкнутой обмотки якоря и демпфер-
ной обмотки уравнения имеют вид:

ТЛЯ Olipejn -
постоянных —

ждения
о
о
о

Гу + pL} рМ
рМ га + рЬл
рМ рМ

рМ
рМ
ra+PL.

(4.126)

I* 1П, ra — индуктивность и активное сопротивление обмотки якоря; р —
♦оратор дифференцирования.

При записи (4.126) считаем, что взаимная индуктивность М между
I мо । ками одинаковая, a Lf=M + LBf, La= М + Lm, и La=M + Laa,

l.„f, LaB, Loa — индуктивности рассеяния обмоток возбуждения, демп-
| |.11ОЙ и якоря.

Затухание тока возбуждения при учете двух контуров (обмоток якоря
• демпферной) определяется постоянной времени 7^; 7^0 » Tj0, для
рпогенераторов Т]о = 0,1-Ю,2 с, а 7^0 = 7-И2 с; для гидрогенераторов
0,054-0,1 с, a Т'м = 3-S-7 с.

Гок возбуждения быстрее затухает в гидрогенераторах. Включение в
• tnyp обмотки возбуждения активного сопротивления снижает время
•цм-ходного процесса. При замкнутой обмотке якоря токи в обмотке воз-
ik ж дения и демпферной обмотке в начале переходного процесса затуха-
••I Гпдсгрее.

На рис. 4.83 показано затухание токов в обмотке возбуждения и из-
биение тока в демпферной обмотке при гашении поля.

При исследовании переходных процессов в синхронных машинах
Ьвиоходимо учитывать токи, протекающие в бочке ротора турбогенера-
М'и, а также токи в стали статора. Тогда число уравнений напряжения

•растает до пяти, что снова усложнит их решение.

11ри решении (4.126), в токах статора и ротора можно выделить апе-

риодические и периодические составляющие, которые затухают со свои-

ми постоянными времени. В настоя-
время (4.126) решают на ЭВМ
г» те с уравнением движения с уче-
м изменения частоты вращения и
•• линейностей.

При аварийных отключениях ге-
брпгора от сети нельзя быстро снять
«мент с паровой или гидравлической
Ьрйииы. Поэтому ротор генератора
и оияется, и, если снова не подклю-
Рп. генератор к сети, частота враще-

Рис. 4.83. Токи в обмотке возбуж-
дения и демпферной обмотке при
гашении поля

ротора генератора увеличится и
нхронный генератор начнет рабо-
и. и асинхронном режиме. Работа
синхронного генератора в асинхронном режиме допускается кр>|>и>*Я
менно при небольших скольжениях. В асинхронном режиме геч-,
работает с отключенной обмоткой возбуждения При включенной он
возбуждения в асинхронном режиме возникают знакопеременные ммЛ
ты, которые раскачивают ротор, усугубляя отрицательные последе ими
увеличивается амплитуда токов, растут ударные моменты.

В асинхронном режиме при отключенной обмотке возбуждении «
хронная машина работает как асинхронная. В контурах ротора пре и
токи скольжения, реактивная мощность поступает из сети. В асин
ном режиме в роторе появляются потери скольжения, которые в кр\
генераторах даже при скольжении в несколько сотых процентов при
тельной работе недопустимы.

Процесс ресинхронизации — выхода машины из синхронного р ».

ма сопровождается сложными переходными процессами и осуще jhh«
ся автоматами гашения поля (ДТП) и повторного включения (АПВ)

При возникновении аварийной ситуации вне машины осущесл»!^
ся трижды повторное подключение генератора к сети. Если корой» •
мыкание ликвидировано (выгорел закороченный участок) или ус гр
аварийная ситуация, машина должна как можно быстрее подключи
сети для поддержания в системе номинального напряжения и чу( ...
Переходные процессы при повторном включении сопровождают' i 
сками токов и моментов и оказывают значительное влияние на над- I
работу машины. Достоверное определение ударных моментов дает ш>мф
ность правильно рассчитывать валопроводы, муфты, деформации логи
частей обмоток и крепление к фундаменту крупных синхронных машин

Исследование сложных переходных процессов необходимо для
чения надежной работы синхронных машин и энергетических систем.

4.21.	Качания синхронных машин.
Динамическая устойчивость

В установившемся режиме вращения синхронной машины Burin- |
механический момент и электромагнитный момент, развиваемы!) <•
хронной машиной, взаимно уравновешены и ротор вращается с по)
ной угловой скоростью

М,н + Л/эм = 0

(здесь моменты должны быть взяты со своими знаками).

Угол нагрузки 0 в этом случае будет неизменен, как неизмснмЛ
будет и положение ротора по отношению к результирующему MamflM
•	нолю. Внешний механический и электромагнитный моменты в (4.127)
ипмются неизменными во времени Если, например, рассмотреть рабо-
« микронной машины в режиме генератора, внешний вращающий меха-
•« кий момент может быть непостоянным по своей природе или испы-
iMib изменения из-за непостоянства параметров (плотности, темпера-
й|-ы) охлаждающего агента, поступающего в турбину (паровую, гидрав-

•	•«ч кую или газовую). Электромагнитный момент может изменяться
В и «менениях напряжения и частоты сети, тока возбуждения. Неурав-
мииснность движущих моментов и моментов сопротивления приводит
dto

I ни*1шению ускорения ротора с положительным или отрицатель-

> । таком и изменению угла 0 на угол 0'

^М =	=	(4.128)

dt pdt2

я I — момент инерции ротора; р — число пар полюсов.

в (4.128) под знаком суммы присутствуют все моменты, действую-
и- на ротор генератора при изменении угла 0. Направление вращения
•мчея внешним механическим моментом Мт + АА/,И. Электромагнит-
tn момент, препятствующий вращению, при изменении угла 0 на угол
нпиример, для неявнополюсного генератора с учетом знака по (4.75) и
I /И) равен

JW,M+AA/JM =-^^-sin0-^^-(cos0)-0' = -JHSM-mc0', (4.129)
®сХс	“Ле

*> ж =----cos0—удельный синхронизирующий момент.

С с

При изменении угла 0 появится асинхронный момент MD, который
»>• малых 0' может быть принят пропорциональным скольжению
/> d&_.

«и, dt

pmULs=pmU^(_=	=	(4Л30)

acr2 “X I pocdt J	aft dt dt

Сомножитель D в (4.130) часто называют коэффициентом демпфи-
яши, он пропорционален квадрату напряжения сети и обратно про-
ринонален приведенному сопротивлению роторных контуров, в кото-
| • In тикают индуктированные при несинхронном вращении ротора токи.

 учетом (4.127) уравнение (4.128) можно представить в виде
б)

Рис. 4.84. Синхронная машина, работаю-
щая параллельно с сетью (о) и колебатель-
ный контур (б)

- АЛ/вн - т & - D— = J - °
dt /«I.

Таким образом, неси11К|«4
ное движение ротора (измс,.
угла 0 на угол 0' под влияп
дополнительного внешне! о -о
мента АЛ/ВН) описывается ди>|
ренциальным неоднор<уш..|
уравнением второго порядка

J d2&

p dt2

ЛП1

+ Г>—+ мс0' = АЛ/В„.
dt2

(4 in

Уравнение движения синхронной машины, работающей параллт*
с сетью (4.131), аналогично уравнению колебательного контура (рис. 4 84)

r d2i „ di i	du

L—-+R—+— =—
dt2 dt C	dt

H HI

Уравнения (4.131) и (4.132) подобны и их можно анализироЯ
применяя метод аналогии, заключающийся в том, что подобным ypinu».
ниям, описывающим разные процессы, соответствуют одни и те же рм •
ния. В (4.131) и (4.132)

1

p

du

АЛ/ # —Г •
“ dt

Период собственных колебаний для (4.132):

<о0 =

J___

LC 4Z7

(4 l»l|

По аналогии для (4.131):

<о0 =

тсР Р2Р2

4J2

(4 lb

Так как 4J2 » Ь2, можно считать <оо для синхронной машины, |мП|
тающей параллельно с сетью, равной

mcP

(1 lift

Период собственных колебаний синхронной машины, работав,
параллельно с сетью, невелик и равен 1—2 Гц.
11ри параллельной работе синхронной машины с сетью, так же, как и
• »и'1сбательном контуре, появляются качания. Необходимо синхронную
I пину рассчитывать таким образом, чтобы машина не могла войти в
еишанс с сетью. Для этого необходимо, чтобы частота собственных ко-
•»>пиий машины и частота сети значительно отличались друг от друга.

Частота собственных колебаний машины зависит от параметров ма-
мина и во многом определяется J. Чем больше J, тем меньше <оо. Демп-
* |чt.iM обмотка уменьшает амплитуду качаний. Особенно склонны к ка-
)*itiio синхронные машины мощностью 10—100 кВт, когда сочетание
•диметров наиболее неблагоприятно.

II 1ри работе синхронного двигателя на ударную нагрузку или в слу-
», когда синхронный генератор вращается поршневым двигателем, мо-
иозникнуть вынужденные колебания ротора.

11 ри совпадении частоты колебаний момента с частотой собственных
и-баний <оо наступает резонанс, когда машина раскачивается и выпада-
1п синхронизма. Качания ротора сопровождаются колебаниями токов в
н|1с машины, что вызывает вибрации, шум и возрастание потерь. При
пр ной нагрузке необходимо выполнять демпферную обмотку с мень-
। сопротивлением и выбирать момент инерции так, чтобы частота а>0 и
. ина вынужденных колебаний значительно отличались друг от друга,
и аварийном сбросе нагрузки синхронный генератор может при увели-
IIUI частоты вращения работать кратковременно в режиме асинхронно-
инератора, а при перегрузках синхронная машина выпадает из син-
нпвма и переходит в режим работы асинхронным двигателем. В этих
«имах нарушается статическая устойчивость синхронной машины, ра-
Ы|ощей параллельно с сетью, поэтому эти режимы допускаются крат-
нременно.

Динамическая устойчивость — это способность синхронной машины
чиниться в синхронизме при резких изменениях нагрузки и параметров
>ш В отличие от понятия статической устойчивости, когда процессы
^образования энергии происходят в установившемся режиме, динами-
 кия устойчивость — способность машины оставаться в синхронизме в
входных режимах.

Исследование динамической устойчивости возможно при решении
мнений (4.1)—(4.8) на ЭВМ. При этом система уравнений синхронной
• .1Н11ПЫ, работающей параллельно с сетью, усложняется тем, что при
|1«1чкообразном изменении нагрузки изменяется также напряжение сети и
и । чет работы регулятора возбуждения — ток возбуждения.

11редположим, что синхронный генератор до понижения напряжения
I |»|ц устойчиво работал в точке а угловой характеристики 1 (рис. 4.85).
Ilion 0 = 6,. После снижения напряжения ввиду инерционности ротора
Рис. 4.85. К определению динамической
устойчивости

угол 0 скачком измениться и* 
жет, поэтому мощность, о
емая генератором в сеть, ум( I
шится до значения, определацА
точкой Ь. Электромагнитны* fl
мент Мж препятствующий - •
щению генератора в соотв и (ня
с (4.127) станет меньше виси»-
механического момента М„ fl

быточный момент начнет f
нять ротор и угол 0 будет ищ»
тать по угловой характерна и>
Избыток момента ускор ifohmmi
ротор, будет иметь место до 

с, в которой вращающий и противодействующий моменты буду! р* •
Но накопленная ротором в точке с избыточная кинетическая энер> >и *
дет продолжать увеличивать угол 0. Можно показать, что эта нами> И

ная энергия пропорциональна площади Sabc криволинейного треугииымм
abc, заштрихованного на рис. 4.85. Правее точки с ротор начинает Vuffl
зиться, так как выше точки с электромагнитный тормозящий момси i ф
чинает преобладать над вращающим генератор моментом. При торги •
нии запасенная кинетическая энергия будет израсходована и ротор
тигнет точки d при угле 0 = 0,. Положение точки d определится in fl
венства площадей криволинейных треугольников ускорения и зам < <•»
abc и cde: Sabc = && (по этой причине изложенный метод иногда и*
название метода площадей). Предельная энергия при торможении fl|fl
пропорциональна площади фигуры cdfe.

Метод площадей дает возможность ответить на вопрос, остапс к •
машина в синхронизме. Если площадь ускорения, характеризуема i fl
волинейным треугольником abc, меньше площади замедления I
машина удержится в синхронизме. Если площадь торможения

меньше площади ускорения, машина выпадает из синхронизма — afl
пит динамическая неустойчивость.

Чем больше нагружена машина, т.е. чем больше угол 0, тем мгнА
площадь замедления и тем меньше вероятность того, что мдпипи yfl
жится в синхронизме. Запас динамической устойчивости больше у	11

ны, работающей с небол! шой нагрузкой. Наброс нагрузки обычно < <»**
вождается уменьшением напряжения, т.е. уменьшением максиммк ifl
электромагнитного момента. Чтобы сохранить потокосцепление,
руют возбуждение. Форсировка возбуждения улучшает динамич«мЯ
устойчивость. Однако обмотка возбуждения должна иметь нет».iiMfl
шинную времени, а возбудитель должен допускать 2— 2,5-кратные
I» нрчвки. Быстрому успокоению колебаний ротора машины способст-
к>< демпферная обмотка и автоматическое регулирование возбуждения.

4.22.	Системы возбуждения синхронных машин

< 'истема возбуждения синхронной машины состоит из возбудителя и
 мы регулирования тока возбуждения, замыкающегося в обмотке
» шуждения синхронной машины и в обмотках возбудителя. Система
•Йуждения должна обеспечивать надежную работу синхронной маши-
। выполняя регулирование тока возбуждения, форсировку возбужде-

м пиление поля возбужде-
н ' »ги процессы в крупных
нишах осуществляются ав-
И-инчески. Системы возбу-
ышя делятся на два типа —
•«ыс и косвенные.

II прямых системах воз-
• пения якорь возбудителя
кию соединен с валом син-
нной машины В косвенных
Ьемах возбуждения возбу-
««III. приводится во враще-
> шшгателем, который пита-
Н hi шин собственных нужд
И । инстанции или вспомога-
нио генератора. Вспомога-
»ni.ih генератор может быть
И'нгн с валом синхронной
uiiiii.i или работать автоном-
Прямые системы более на-
 .111.1, гак как при аварийных
пиниях в энергосистеме ро-
» шнбудителя продолжает
....... вместе с ротором

рипиой машины и обмотка
1ч ждения не обесточивается.

Пи рис. 4.86, а—в приве-
< • наиболее распространен-
я кхсмы возбуждения син-
Ъ- иных машин.

Рис. 4.86. Схемы возбуждения синхронных
машин
На рис. 4.86, а представлена наиболее распространенная прямо <
ма с электромашинными возбудителями. К обмотке возбужденна (Ml
синхронного генератора СГ постоянный ток через контактные »><»«
подается с якоря возбудителя В. Обмотка возбуждения возбудится* Ю
питается от якоря подвозбудителя ПДВ. Управление током в цЛммф
возбуждения синхронного генератора осуществляется резистором *
включенным в цепь обмотки возбуждения подвозбудителя ОВПДВ,

Подвозбудитель и возбудитель — генераторы постоянного к»а |й
якоря муфтами соединены с ротором синхронного генератора. Монин • I
обмотки возбуждения генераторов постоянного тока составляет О,
мощности генератора. Поэтому мощность управления в каскадной i •
из двух генераторов постоянного тока (рис. 4.86, а) составляет нсски-шв
процентов мощности возбуждения синхронного генератора. Коэф.|и •
ент усиления схемы равен произведению коэффициентов усилски*
мощности двух генераторов постоянного тока (102—103).

Предельная мощность генератора постоянного тока с частотой ц*
щения 3000 об/мин примерно 600 кВт. Поэтому генераторы постою®
тока в качестве возбудителей могут применяться в турбогенерио ।«
мощностью 100—150 МВт. Генераторы постоянного тока в качеснь
будителей находят широкое применение в синхронных двигателях м i *
хронных генераторах автономных энергетических систем.

На рис. 4.86, б дана схема косвенного возбуждения с возбудители
генератором постоянного тока с независимым возбуждением. Якорь Ц
нератора постоянного тока вращается асинхронным АД или синхр<нИвQ
двигателем, которые подсоединяются к сети переменного тока, и* >«м
сящей от напряжения синхронного генератора.

Наибольшее распространение получили схемы возбуждения In
тическими преобразователями переменного тока в постоянный. II I
годах для возбуждения гидрогенераторов применялась схема возй, ••
ния с ртутными выпрямителями, а в последнее время широкое прнм«*
ние находят тиристорные схемы возбуждения. Тиристорные схемы м
буждения могут быть контактными и бесконтактными В контактных 
мах через кольца ток возбуждения от тиристорного преобразовал->( •
дается на обмотку возбуждения. При этом переменный ток на тирш нф
ный преобразователь подается или от электромашинного возбуди пяф
или от сети.

В крупных турбогенераторах в качестве электромашинного исшив
ка электрической энергии используется индукторный высокочаснивй
генератор (рис. 4.87). Ротор индукторного генератора жестко ciinfl
ротором турбогенератора На роторе индукторного генератора нет
ток, а обмотки якоря расположены на статоре. Принцип действия пн •
торного генератора рассматривается в § 4.23.
И бесщеточных системах возбуждения обмотка якоря и выпрямители
родмся на роторе. Возбудитель выполняется многофазным для турбо-
и»рпгора мощностью 1000 МВт, 1500 об/мин. Возбудитель имеет длину
«• Мощность возбудителя в кратковременном режиме 7,2 МВт и при дли-
•• «ой работе 2,8 МВт. Максимальный ток 9,6 кА при напряжении 0,75 кВ.
• I < -. н енераторе мощностью 500 МВт мощность возбудителя 2,4 МВт.

Ко всем системам возбуждения предъявляются жесткие требования,
•цементированные ГОСТ. Системы возбуждения должны обеспечивать
•1'1 ировку возбуждения при снижении напряжения сети и аварийных
• нмах. Согласно ГОСТ, кратность предельного установившегося на-
В*<пия возбудителя (отношение максимального напряжения возбуди-
м » номинальному напряжению возбудителя) для крупных генераторов
микронных компенсаторов равна 1,8—2, для других синхронных ма-

>« 1,4—1,6.

Системы возбуждения должны быть быстродействующими. Номи-
скорость нарастания напряжения возбудителя, т.е. изменение
цтжения от номинального до максимального, должна быть 1—1,5 с
< крупных машин, а для остальных 0,8—1 с.
Рис. 4.88. Система возбуждения от обрат-
ной последовательности и высших гармоник

Регулирование токи ш>М
ждения, как правило, oci 1 >
ляется путем изменения nafll
жения возбудителя. Так  ая щ
будитель не насыщен, <*»••
буждения изменяется ирг
ционально напряжению. I
в синхронных машиппя
большой МОЩНОСТИ pciyilaf*

вание тока возбуждения о* >«
ствляется реостатами.

Гашение поля при пни
ных режимах обеспечи

АГП за 0,8—1,5 с. Обычно сопротивление, на котором происходи! I
ние поля, в 5 раз превышает сопротивление контура возбуждения, а
пряжение на нем в переходном процессе не превышает более чем и 1
напряжение возбуждения.

Наряду с системами возбуждения, рассмотренными выше, npi
ются системы возбуждения от высших гармоник и обратной пост. |
тельности.

В воздушном зазоре электрической машины существует бссяи
ный спектр гармоник поля, которые вращаются со скоростью, отл

щейся от основной гармоники, или вращаются в противоположном
правлении по отношению к основной гармонике. Высшие гармониям
ля наводят в обмотках ротора напряжения, зависящие от сколь#* *"
амплитуды гармоники. Если закоротить обмотки ротора выпрями*

в них будет протекать пульсирующий ток высших гармоник, koi
создаст постоянный поток возбуждения (рис. 4.88).

Обычно для возбуждения используется 3-я гармоника поля и и
няется специальная обмотка на роторе с числом полюсов, в 3 раза

шим по отношению к основной гармонике. С возбуждением от 1 II
моники выпускается серия синхронных генераторов ЕС мощное или
100 кВт.

Представляет интерес использование для возбуждения обратною
ля. В однофазных двигателях при возбуждении от обратной поел

тельности (рис 4.88) могут быть получены массогабаритные и энг|н
ческие характеристики, близкие к характеристикам трехфазных
хронных двигателей.

Системы возбуждения синхронных машин весьма разнообразны н
многом определяют конструкцию синхронной машины. Некоторы  m
изменения систем возбуждения будут рассмотрены при изучении t.
альных синхронных машин.
4.23.	Специальные синхронные машины

Синхронные машины со сверхпроводящими обмотками возбуж-
►«ни. Предельная мощность турбогенераторов с внутренним водяным
мтждением обмоток статора и ротора ограничивается 2 млн. кВт. Даль-
»Пший рост единичной мощности турбогенераторов возможен при при-
»||г|пш сверхпроводящих обмоток возбуждения. Применение сверхпро-
И1Щих обмоток возбуждения в генераторах уже освоенных мощностей

<*'< ечивает повышение КПД и снижение массы.

11а рис 4.89 дан поперечный разрез турбогенератора КТГ-1.5 мощно-
1500 кВ А, 3000 об/мин. Ротор машины / представляет собой вра-
вшийся криостат с вакуумной изоляцией. Жидкий гелий через узел
•ночи поступает на периферию бандажа ротора 2, удерживающего ка-
иики возбуждения 3, и проходит через каналы в элементах крепления
Ьюгки ротора. Пары гелия в центральной части делятся на два потока,
|Лйждающие концевые зоны ротора, экран 4 и токовводы. Газообразный
ИИЙ выходит из ротора при температуре, близкой к температуре окру-
щей среды. Ротор вращается в вакуумированном пространстве внут-
> молочки из стеклопластика 5. Вакуум обеспечивается путем приме-
тим уплотнений. Сверхпроводящая обмотка ротора выполнена из нио-

4.89. Криогенный турбогенератор 1200 кВт, 3000 об/мин
бий-титановой шинки 3,5x2 мм в медной матрице. Плотность тока g 4
мотке возбуждения может достигать 100 А/мм2. Статор машины б шч», I
ванный из электротехнической стали. Обмотка статора 7 выполнена .
медных проводников, охлаждаемых водой.

В электрических машинах со сверхпроводящими обмотками в<п( .
дения индукция в зазоре может достигать 1,3—1,5 Тл, поэтому сердечна»
статора нецелесообразно выполнять с зубцами. Статор в криоген
электрических машинах делают беззубцовым с шихтованным ф< рг>*
нитным экраном, который концентрирует магнитное поле внутри МММ
ны. Момент в беспазовых машинах приложен к обмотке, что вгшмп
необходимость в более тщательном ее креплении. Крепление обгони
статора в пазовой части осуществляется с помощью системы клин,»»
Лобовая часть обмотки крепится к бандажным кольцам из стеклоплп 
ка, которые устанавливаются на кронштейнах.

Синхронная машина со сверхпроводящими обмотками возбу» ,
может работать в генераторном и двигательном режимах. Приме и
криогенных двигателей обеспечивает снижение габаритов и повып
их энергетических показателей. Однако дефицит и стоимость гелия и т
проводящих материалов ограничивает применение криогенных машин

Машины с постоянными магнитами. Одним из преимути*'* еп •
шин со сверхпроводящими обмотками возбуждения является то, чн |
них электрические потери в обмотке возбуждения равны нулю. Этим «м
имуществом обладают и машины с постоянными магнитами, кокп •
называются еще магнитоэлектрическими машинами. Наибольшее рш 
странение получили микродвигатели с постоянными магнитами. В та*
летах, тракторах и автомобилях применяются генераторы с постоянна-,
магнитами [6].

Статор 1 двигателей с постоянными магнитами (рис. 4.90) ничем •
отличается от статора машин общего назначения. На роторе распознан»
постоянные магниты 3 и пусковая короткозамкнутая обмотка 2. Г1о< i •

Рис. 4.90. Двигатель с постоянными магнитами

ные магниты на щ

4 напрессовываю>« «•
вал 5.

Выполнение |»ч»
ра с постоянными
нитами можег
весьма разнообрази^
в виде звездочки, >»
линдра, намагничпи®
го в радиальном

аксиальном напрлм

нии, и др. В потна >«
Рис. 4.91. Момент-
ный двигатель

мя в качестве движущейся части машины стали
«менять ферромагнитную резину, когда постоян-
иг магниты вкраплены в резину, которая может
гп. различную форму.

Постоянные магниты могут располагаться не
। ько на роторе, но и на статоре машины. Одна
। конструкций синхронного двигателя с распо-
• Фением постоянных магнитов на статоре 1 с
цтпиченным перемещением ротора 2, которая
«пользуется в моментных двигателях, показана
рис. 4.91.

Магнитоэлектрические мазйины по сравнению с машинами электро-
литного возбуждения имеют ряд преимуществ: высокую надежность
I» in отсутствия вращающихся обмоток, высокий КПД и меньшие нагре-
I ш-за отсутствия потерь на возбуждение и в скользящем контакте,

рныние помехи радиоприему из-за отсутствия контактов.

< )днако эти машины обладают и рядом недостатков: генераторы не
►пускают обычного способа регулирования напряжения (путем измене-
bl юка возбуждения), они уже при мощности 300—400 Вт при имею-
тся на сегодня серийных постоянных магнитах имеют повышенные
►•имости, массу и габариты; двигатели с постоянными магнитами имеют
жив пусковые свойства.

i )сновным недостатком машин с постоянными магнитами являет-
• щудность регулирования потока возбуждения. Для регулирования
|ика возбуждения применяют обычное электромагнитное возбуж-
Ниме, а также подмагничивание спинки статора.

Конструкция машин с постоянными магнитами определяется маг-
нными и технологическими свойствами постоянного магнита.

I (остоянные магниты характеризуются петлей гистерезиса (рис. 4.92, в),
и- оценки качества постоянных магнитов основное значение имеет
• и. петли во втором квадранте, которая называется кривой размагничи-
• ни Предельная кривая размагничивания Вг (Нс) соответствует макси-

11 4 92. Основные характеристики постоянных
hiiioii

мально возможному
намагничиванию маг-
нита.

Постоянный маг-
нит характеризуется ин-
дукцией насыщения В„
соответствующей ей на-
пряженностью Hs, оста-
точной индукцией Вг и
коэрцитивной силой Нс,
а также коэффициентом возврата р и максимумом удельной магшг noli
ГИИ

Коэффициент возврата

АВ
Р“ ЛЯ ’

Максимум удельной магнитной энергии, Дж/м3 (рис. 4.92, б):

, -ВН™

Ашх 2

и соответствует индукции Bd и напряженности Hd.

В электромашиностроении применяются сотни марок сталей и t н «
вов постоянных магнитов, имеющих остаточную индукцию Br =
Тл и коэрцитивную силу Нс = 4000-1-400 000 А/м. Свойства по гони я
магнитов улучшаются при легировании сплавов микродозами рс.'шяв
мельных Элементов. Самарий-кобальтовые постоянные магниты им.<
• Нс = 8000 А/см, Вг ~ 0,8 Тл и удельную энергию (BH)max = (160+2-1<»

Тл-А/м. Применение постоянных магнитов с высокой удельной эцг|» «4
дает возможность создать высокоиспользуемые электрические машин

Машины с клювообразным ротором. Как уже подчерки**
преобразование энергии в электрических машинах происходит в в» ио»
ном зазоре — пространстве, где концентрируется энергия магию
поля. При этом форма магнитного поля определяет в основном эп‘-|н»<«
ческие показатели машины. Наилучшие характеристики в машине ми •

Рис. 4.93. Клювообразный ротор

получить при круговом поле.

При сосредоточенной катушечной обмотке синусоидальное pin цф
деление индукции в зазоре можно получить за счет определении >it
филя воздушного зазора — его магнитной проводимости. В машимй
клювообразным ротором распределение магнитного поля в всндупш 
зазоре, близкое к синусоидальному, достигается за счет профиля по 
ного наконечника.

Стремление упростить мм»|
рукцию и технологию изготиммЛ
синхронных машин небольшой мяЛ
ности массового производен! i
вело к созданию машин с юной.
разным (коггеобразным) pniu, 
(рис. 4.93).

Клювообразные полюсь " В
конечники позволяют при 
катушке возбуждения, распош^В
ной по оси машины, преврати м
в-ii.iioe направление магнитного потока возбуждения в воздушном за-
| п радиально направленные потоки отдельных полюсов и получить
Ьннюлюсную конструкцию синхронного генератора при относительно
Piiiii.niOM диаметре ротора. Такая конструкция дает значительную эко-
Hiiio меди обмотки возбуждения.

1'оюр с клювообразными (когтеобразными) полюсами широко при
Ц1ЧС1СЯ в генераторах, устанавливаемых на автомобилях и тракторах.

I оператор на автомобиле работает параллельно с аккумуляторной
|н|н-ей, которую он должен подзаряжать, поэтому на выходе такой ге-
Ьн<>р должен иметь постоянное напряжение. Автотракторный генера-
|i это вентильный генератор, в котором встроен выпрямительный
нк на кремниевых диодах. Обычно применяется трехфазная двухполу-
«шндная схема выпрямления. Выпрямительный блок установлен так,
и <>н интенсивно охлаждается потоком воздуха, охлаждающего генератор.

Другой особенностью автотракторных генераторов, позволившей
и hi путь высокой технологичности генератора, является применение

2.

юра с малым числом пазов на полюс и фазу (q ---< 1).

2рт

< )бмотки статора выполняются одно- или двухслойными. При q = 1
» шка располагается на трех зубцах и в пазу лежит одна сторона ка-
iiikii, при q < 1 — на каждом зубце и в пазу лежат две стороны катушки

До последнего времени генераторы были трехфазными с соединени-
। ||ш । в звезду. С увеличением мощности стали переходить на соедине-
• а 1 реугольник и применять на статоре схемы двойная звезда и двойной
и । ольник. Появились автотракторные генераторы на пять и больше фаз.

На рис. 4.94 представлена конструкция автомобильного генератора
ВО с клювообразным ротором. Два клювообразных полюсных нако-
iniiKa 1 образуют 12-полюсную магнитную систему. Полюсные нако-
шики изготовляются методом холодной штамповки. Обмотка возбуж-
«ши 2 помещается на втулке 3. Статор 4 шихтованный с 18 пазами. Об-
ш>|| статора 5 трехфазная однослойная с q = 0,5. Корпус б (подшипни-
И1.|г щиты) выполнен из алюминиевого сплава. Трехфазное переменное
«ряжение преобразуется в постоянное выпрямителем 7, собранным по
»мс грехфазного двухполупериодного выпрямителя. Постоянный ток на
М"|> подается с помощью двух колец 8 и двух щеток 9.

Индукторные синхронные машины. При рассмотрении уравнений
Ь»> <ромеханического преобразования энергии было отмечено, что под зна-
ы производной находятся, как независимые переменные токи, так и коэф-
^кшенты перед переменными — параметры L и М. В уравнениях электроме-
Lki'iccKoro преобразования энергии есть члены вида —Д и •
В большинстве электрических машин по гармоническим закон
меняются и токи, и параметры. Преобразование энергии происходи!
изменяются токи, а коэффициенты перед переменными — поспи
Электромеханическое преобразование также возможно, если измен
L и М, а токи — постоянные. Такие электрические машины назыи
параметрическими. Их также называют индукторными машинами

В индукторных машинах преобразование энергии происходи!
ствие изменения взаимной индуктивности между ротором и стап>[
индукторной машине все обмотки неподвижны, а изменение маги hi
потока, пронизывающего обмотку статора, вызывается перемени
ферромагнитной массы. Ротор в виде звездочки вызывает изменен»
водимости зазора под зубцом статора от максимального значения,
зубец ротора совпадает с зубцом статора, до минимального, когда 
на (паз) ротора совпадает с зубцом статора. Соответственно меш
468
I к. Схема ивдукторного генератора

итя в воздушном зазоре от максимального В&тах до минимального
пятя BSmi,). Следовательно, индукторной машиной можно называть
||шческую машину переменного тока, у которой в режиме холостого
। магнитная индукция в любой точке внутренней поверхности статора
мнегея только по амплитуде, не изменяясь по знаку.

I In рис. 4.95, а показана схема высокочастотного индукторного гене-
ри Статор генератора явнополюсный, на полюсных наконечниках 1
>чея пазы и зубцы, в которых располагается обмотка переменного
Обмотка возбуждения 3 катушечная, в ней протекает постоянный
1’огор индукторного генератора 4 массивный с числом зубцов
' х1, где Z] — число зубцов на статоре.

Пни вращении ротора изменяется проводимость воздушного зазора
•I ‘>5, б) и индукция в воздушном зазоре изменяется по трапецеи-
тму закону (рис. 4.95, в). Можно разложить кривую индукции в
•шический ряд и выделить 1-ю гармонику. В обмотке переменного
ш счет изменения индукции наведется ЭДС, равная

t/Ф

e = w>---= Ф.зтгоГ,	(4.136)

dt

Ф^ОЛФ.и.х-Ф™)	(4-137)

•‘ипппуда 1-й гармоники (рис. 4.95, в).

Дг  :твующее значение ЭДС в обмотке переменного тока

Е = 2,22^о/z (Фш„-Ф . ),	(4.138)

’ XTY К J ' ПИХ	ПИД ' '	'

OU

11 - число зубцов на роторе; zs — число последовательно соединен-
ии сушек.

Высокочастотные индукторные генераторы выполняются частотой в
|*и килогерц и мощностью в сотни киловатт. Такие мощности и вы-
Рис. 4.96. Двухпакетный индукторный генератор

сокие частоты требуются для электротермических установок, для ш
радиолокационных установок и высокоскоростного электропривода

В индукторном генераторе магнитный поток пульсирует нс i п
зубцах, но и в ярме, так как при вращении ротора изменяется мни
сопротивление для потока возбуждения. Чтобы уменьшить iiyjM
потока в магнитопроводе, индукторные машины выполняют с Двум
торами 1 (рис. 4.96) и двумя магнитопроводами ротора 2, сменит
относительно друг друга таким образом, что общее магнитное сшц
ление машины при вращении ротора практически не изменяется, ц
пульсирует только в зубцовых зонах. В индукторном генераторе а
альным возбуждением обмотка возбуждения 3 создает поток, jiim
щийся в аксиальном направлении, а в зубцовой зоне — в радии
Обмотка переменного тока расположена в пазах 4. На индукторе и
зубцы 5, создающие пульсации индукции в зазоре машины.

Бесконтактные индукторные машины применяются в высоком
ных автономных энергетических системах и изготовляются на ш
частоты вращения. Индукторные генераторы используются в мг
возбудителей крупных турбогенераторов. Трехфазный высокочас и
возбудитель турбогенератора мощностью 2700 кВ-A, соединенны ft
лом турбогенератора и работающий на выпрямители, показан на рис. Il |

Как и все электрические машины, индукторные машины об|Ш
В двигательном режиме они применяются в качестве тихоходных
кочастотных и шаговых двигателей.

Синхронная частота вращения индукторных двигателей заши
частоты сети и числа зубцов ротора z2:

(

Выполняя на роторе большое число зубцов, при/= 50 Гц и ,
например, частоту вращения получаем 1 об/с, или 60 об/мин. При
ших диаметрах ротора и мелких зубцах можно получить частоту и
ния до одного оборота в сутки.
Индукторные двигатели выполняют двух-, трех- и однофазными. На
ы«нку возбуждения подается выпрямленное напряжение или использу-
м гхсма на рис. 4.88. В индукторных двигателях применяются и посто-
»..>с агниты.

II однофазных индукторных двигателях применяются все способы
•и. рассмотренные для обычных однофазных синхронных двигателей.

Индукторные синхронные двигатели серий ДСР и ОРД выпускаются
и-шосгью до сотен ватт и частотой вращения 1,2 и 60 об/мин в трех- и
>...»|ыиюм исполнении [2, 11].

Шиговые двигатели. Шаговые, или импульсные двигатели питают-
। пульсами электрической энергии, а ротор в зависимости от поляр-
вн импульсов перемещается по часовой стрелке или против часовой
Цн*и на определенный угол-шаг. Шаговые двигатели обычно мало-
Ывмс индикаторные. Основная задача их отрабатывать электрические

|> Щ.СЫ, преобразуя электрические сигналы в угловые перемещения.

Цин управления шаговыми двигателями используются коммутаторы
полупроводниковых элементах, формирующие импульсы, которые
инея на фазы обмотки шагового двигателя. Число фаз выбирается
юим четырем или шести. Шаг двигателя может быть от 180 до 1°. В
|н|нн11>ных установках шаг может быть несколько минут.

Шиговые двигатели могут быть выполнены на основе конструкции
Й'к синхронных двигателей. Так как основным требованием к шаго-
« двигателям является точность отработки сигналов и высокая частота
H'iixob, предпочтительны конструкции шагового двигателя, выпол-
зни о на базе реактивных и индукторных синхронных машин.

Шиговые двигатели характеризуются предельной частотой импуль-
I »<>п>рые двигатель обрабатывает без пропуска шага. Пусковые свой-
ll пнновых двигателей характеризуются частотой приемистости —
|« нмнльной частотой импульсов, при которой возможен пуск без поте-
нии он. В зависимости от типа шагового двигателя и нагрузки частота
►мн< гости колеблется от 10 до 104 Гц.

Мн тематическое описание процессов преобразования энергии при
Mi.'ikhom питании осуществляется по уравнениям электромеханичес-
ки щи образования энергии и их видоизменениям, когда форма напря-
Цои импульсная [4].

I псгсрезнсные двигатели. Недостатком синхронных двигателей
мши их плохие пусковые свойства.

I in герезисные двигатели сочетают в себе положительные качества
1ых двигателей (хорошие пусковые характеристики) и синхронных
Ценней — высокие энергетические показатели в установившемся режиме.

• очегание положительных качеств синхронных и асинхронных ма-
► достигается в гистерезисных двигателях за счет применения
Рис. 4.97. Ротор гисте-
резисного двигателя

специальных магнитных материалов, из юл
выполняется ротор двигателя. Стали типа ви
и альни ведут себя при высоких частотах кии
нитомягкие, а при подходе ротора к синхри
частоте вращения, когда частота снижает < 
магнитотвердые. Поэтому при пуске потери и |
ротора небольшие и за счет вихревых токов и
тель развивает асинхронный момент. При им
частотах в роторе образуются области намш

вания и ротор втягивается в синхронизм.

Недостатком гистерезисных двигателей является то, что при нац;
близких к номинальным, эти области намагничивания могут «плавать

мещаться по ротору. При этом машина выпадает из синхронизма.

Гистерезисные двигатели выполняются на мощности до д ।
ватт. Конструкция статора обычная. Ротор выполняется в виде диск i
цилиндра, состоящего из втулки 1, изготовленный из мшнитоми!
материала, и магнитопровода 2, изготовленного из викаллоя или дру
магнитного материала, обладающего свойствами, сходными с викнн
(рис. 4.97).

Синхронные микродвигатели выполняются с катящимся и всп
ротором. Синхронные двигатели могут быть линейными, с сегмц.
статором, двухмерными и многомерными. Несмотря на обилие их к
руктивного выполнения, появляются новые машины. Однако в ochui
работы лежат законы электромеханического преобразования энер1 и«

Синхронная машина двойного питания. Если в асинхронно
шине с фазным ротором обмотку статора и ротора подключить к
таким образом, чтобы поля статора и ротора вращались в nj отивони

ные стороны, то можно

получить частоту вращения выше синхро

частоты вращения. Неподвижность полей статора и ротора — Нспр-
ное условие, при котором происходит электромеханическое npeov|i
ние энергии, будет тогда, когда ротор будет вращаться в сторону н|

ния поля статора с двойной частотой.

Недостатком машины двойного питания является то, что неоох11

при пуске довести угловую скорость ротора до угловой скорости
2сос, а затем включить напряжение на ротор, т.е. синхронизировзтг
ну. Если подключить ротор к преобразователю частоты, '•оторыН

возможность регулировать частоту выходного напряжения, то можн»
лучить регулирование частоты вращения вниз и вверх от синхронной

тоты вращения.

Машина двойного питания, хотя и имеет конструкцию асинх?"
машины, работает как синхронная. Для нее могут быть постро  ы
торная диаграмма и схема замещения.
Лсинхронизнрован-
• синхронная машн-
Н При выпадении син-
енной машины из син-
»низма она переходит в
щнронный режим и час-
in it роторе /2 = fts.
ни подключить ротор к

(•разователю частоты
Пополнить обмотку воз-

• пения по продольной

Рис. 4.98. Электромеханическая вставка

тг

I'

№‘перечной осям, мож-

цержать машину в синхронном режиме, питая двухфазным напряже-
ны обмотки возбуждения от преобразователя частоты. Чем меньше
Пнь/ксние (отклонение от синхронной частоты вращения), тем меньше

biinocTb преобразователя частоты.

Лсинхронизированная синхронная машина сохраняет устойчивость в

фцйных режимах и может работать в синхронном и асинхронном ре-
|их.

Важным применением асинхронизированной синхронной машины

•с1ся ее использование в качестве электромеханической вставки для

«ш двух энергосистем, незначительно отличающихся по частоте
!/')

Принципиальная схема электромеханической вставки показана на
 'I °8. Синхронная машина СМ присоединена к сети с частотой ft, а
<•«,], визированная синхронная машина АСМ — к сети с частотой^.
Mi синхронной и асинхронизированной машин жестко соединены
fi ой и частота вращения у них одинаковая. Преобразователь частоты
 поеспечивает возбуждение асинхронизированной синхронной маши-

При передаче энергии из сети f\ в сеть f2 синхронная машина ра-
п<‘| в двигательном режиме, а асинхронизированная — в генера-
лом. При передаче энергии из сети f2 в сеть f\ асинхро-
м1р<>ванная синхронная машина работает в режиме двигателя, а
Кронная — в режиме генератора. Направления мощности на рис.
 показаны стрелками.

•пектромеханические вставки улучшают форму кривой напряжения,
(мивают броски токов в переходных режимах. Электромеханические
»*пп необходимы и при питании ответственных потребителей, когда
"Ч1димо отстроиться от высших гармоник, имеющихся в сетях при
►п1.зовании мощных тиристорных преобразователей и других нели-
»«1мх нагрузок.

li
h
[ll

111

II
Представляет интерес применение активных электромеханичм®
вставок, когда синхронная и асинхронизированная машины соедйч»»!
валом паровой или гидравлической турбины. В этом случае обе ма„>.
могут работать в генераторном режиме или в режиме передачи Э1№|»м •
одной сети в другую, что повышает устойчивость энергосистемы.

4.24. Серии синхронных машин

Одной из задач электромашиностроителей является обесп. •
турбо- и гидрогенераторами строящихся электростанций и замена ifl
ми генераторами отработавшие свой срок машины на реконструнр)
станциях. Прирост установленной мощности на электростанциях ajfl
жен лишь при росте единичной мощности машин, поэтому пре ' «.«и
мощность выпускаемых генераторов свидетельствует о достигну! ом >»
ническом уровне электромашиностроения.

В области турбо- и гидрогенераторрстроения наша страна зинм «а
передовые позиции. Турбогенераторы и гидрогенераторы, изготопн.
на наших заводах, являются одними из самых надежных в эксплуатации | fl

Турбогенераторы с непосредственным охлаждением провопи.•«1
обмотки статора водой и обмотки ротора водородом серийно выну. во*
ся нашими заводами. Машины мощностью 320, 500 и 800 МВт яшмм^
основными машинами, которые используются на тепловых и aiiuifl
электрических станциях.

Общий вид двухполюсного турбогенератора типа ТВВ-320-2 m
на рис. 4.99.

Технические данные турбогенераторов серии ТВВ приведены в гаМ •

Таблица 4.3. Технические данные турбогенераторов серии ТК»

Тип  турбогене- ратора	Мощ- ность, МВт	Напря- жение, кВ	кпд, %	Избы- точное давление водорода, 10s Па	Индуктивное сопротивление, %				Размеры, м		И» •
					*5	хд	Х2	хо	длина	ШИ риня	
ТВВ-165-2	165	18	98,5	3	21	171	26	10	13,47	4,31	
ТВВ-200-2	200	15,75	98,6	3	19	190	23	8,6	13,90	4,31	
ТВВ-320-2	320	20	98,7	3,5	17,2	170	21	8,7	17,18	5.40	...
ТВВ-500-2	500	20	98,74	4	24,3	191	29,6	14,7	18,36	4,87	|
ТВВ-800-2	800	24	98,83	4	30,5	197	37,2	15,9	20,3	6.9	*

В 1979 г. в ЛПЭО «Электросила» выпущен турбогенератор м< -
стью 1200 МВт, который находится в эксплуатации на КосцнииА
ГРЭС. На базе этой машины проведено проектирование и изпн •»
I Турбогенератор TBB-320-2

|ui оператор 1600 МВт с той же системой охлаждения, что и в машине
| МВт.

Предполагается, что в ближайшие десятилетия основной прирост
..!><• гки электроэнергии будет идти за счет мощности атомных стан-
I Па атомных электростанциях нашей страны применяется два типа
норов: водо-водяной энергетический реактор (ВВЭР) и многоканаль-
I р- ..ктор с графитовым замедлителем (РБМК) одноконтурного типа,
ин', атируются оба реактора мощностью 1000 МВт и реактор РБМК
1шк-тыо 1500 МВт.

Япя ] 1сакторов ВВЭР выпускается турбогенератор 1000 МВт. Реак-
ч РБМК работают в блоке с двумя турбогенераторами по 500 и 800
I и одним 1*500 МВт.

I урбегенераторы для атомных станций изготовляются на базе турбо-
||i норов серии ТВВ с внутренним водяным охлаждением обмоток
юра и внутренним водородным охлаждением обмоток ротора. Турбо-
ри гор для атомных станций типа ТББ-1000-4 мощностью 1000 МВт
 I частоту вращения 1500 об/мин. Из-за низких параметров пара па-
и турбину целесообразно выполнять на частоту вращения 1500
«пн, поэтому турбогенератор изготовляется в четырехполюсном ис-
пиши. Турбогенератор рассчитан на напряжение 24 кВ и имеет КПД,
it.il! 98,8%, cos <р = 0,9, переходное реактивное сопротивление x'd = 0,5.
ш ротора 150 т. Турбогенератор имеет увеличенный срок службы и
inn /ровен! вибрации.

I урбогенераторы для атомных электростанций могут изготовляться с
иной I ращения 1500 и 3000 об/мин. Двухполюсный турбогенератор
• । более высокие технико-экономические показатели. Турбогенератор
HiiiH гью 1000 МВт и частотой вращения 3000 об/мин имеет КПД, рав-
JH,8% при удельной материалоемкости 0,5 кг/(кВ-А), а турбогенера-
। чистотой вращения 1500 об/мин—0,6 кг/(кВ-А).
Применение полного водяного охлаждения является прогрев > н <*•
направлением в турбогенераторостроении: на ЛПЭО «ЭлектриЧ!»
строен турбогенератор ТВВ-800-2 с внутренним водяным охли > • >
обмоток статора и ротора. Турбогенератор рассчитан на н шряжени! М |
имеет cos <р = 0,9, КПД, равный 98,8%.

Удельный расход материалов 0,56 кг/(кВ-А). Два таких тур няй
тора успешно эксплуатируются на Рязанской ГРЭС. На базе этой МММ
создан турбогенератор мощностью 1000 МВт.

.Проблема повышения мощности турбогенераторов до 2000
МВт может быть решена при использовании сверхпроводников, 0(|
1982 г. во ВНИИэлектромаш разработан и испытан криотурОог В
тор мощностью 20 МВ-А и частотой вращения 3000 об/мин. С рцЯ
результатов испытаний этой машины создан криотурбогси
большей мощности.

В последние годы созданы ударные турбогенераторы с •••
значением x”d номинальной мощностью 100 МВ-А и ударной мои .	<

2500 MB-А. Такие генераторы запасают в роторе энергию 2,95-10* Л
Максимальная энергия в импульсе длительностью 0,01 с при дау ф «
коротком замыкании на активную нагрузку 0,6-10" 3/К.

На заводе «Электросила» совместно с ВНИИ Электрома*» пНцВ
турбогенераторы с водяным непосредственным Охлаждением о4^В
статора и ротора, а также с охлаждением магнитопровода статоре
Такие турбогенераторы имеют небольшие перепады температур г I
ции машины и показали надежную эксплуатацию в течение несычМ
лет на Рязанской ГРЭС.

Проведены работы по замене водородного охлаждения на и.
ное. В будущем будут выпускаться серии турбогенераторов только I 
душным и водяным охлаждением.

Развитие гидрогенераторостроения в России идет по пути
ния единичной мощности агрегатов, повышения надежности, С(>№ |- «I
ствования конструкции и технологии изготовления.

Интенсификация охлаждения активных частей — один из Cfnifl
факторов, обеспечивающих совершенствование гидрогенератором

Непосредственное водяное охлаждение обмотки статора и-
форсированное охлаждение обмотки-ротора было вперьые в мв|Ж
практике применено в 1961 г. на генераторе 160 МВт для ВолЦШ
ГЭС. Впоследствии на базе опыта эксплуатации этого генериТрря В
ли изготовлены крупнейшие в мире гидрогенераторы для Крпчщ
ской ГЭС мощностью 500 МВт и для Саяно-Шушенской ГЭС мвмВ
стью 640 МВт,

В табл. 4.4 приведены данные крупнейших гидрогенерачцч*, |
строенных запоследние 30 лет.
Таблица 4.4. Технические данные крупнейших гидрогенераторов

IU такие ГЭС, ‘ страна	Мощ- ность, МВА	Частота враще- ния, об/мин	Напря- жение, кВ	КПД, %	cos ср	Масса, т	Год ввода в экс- плуата- цию
м* ноярская	590	93,8	15,75	98	0,85	1650	1967
•<1’>  ...  >•110 Шушенская	711	142,8	15,75	98,37	0,9	1790	1978
МП Г рнн Кули	718	85,7	15	98,6	0,975	3000	1978
ША)  liDuv (Бразилия)	738	92,3	18	98,6	0,95	3200	1983

Водяное охлаждение обмотки ротора впервые применено в 1960 г. на
ном гидрогенераторе, установленном на Волжской ГЭС. В дальней-
hi нот способ охлаждения был применен на капсульном гидрогенера-
иля Шекснинской ГЭС и на гидрогенераторах для гидростанций Ин-
Ьыино каскада.

Водяное охлаждение сердечников полюсов успешно применено на
(пых капсульных гидрогенераторах Саратовской ГЭС и генераторах,
[♦» опиленных в 1975 г. для ГЭС «Дженипег» (Канада) и в 1981 г. для
[	«Джердап—Железные ворота П» (Румыния, Югославия).

В габл. 4.5 приведены данные крупнейших капсульных гидрогенера-

Таблица 4.5. Технические данные крупнейших
капсульных гидрогенераторов

••кие ГЭС, страна	Мощ- ность, МВ-А	Час- тота сети, Гц	Частота враще- ния, об/мин	Напря- жение, кВ	coscp	Диа- ' метр капсу- лы, мм	Год ввода в экс- плуата- цию
•опекая (СССР)	45,9	50	75	6,3	0,98	8500	1970
«•miner» (Канада)	31,2	60	62	4,16	0,9	9400	1976
рдип — Желез-  •орота II» (Румы- It 11 ославил)	27,55	50	62,5	6,3	0,98	9000	1982

Проблемы жесткости сердечника статора решаются путем сборки

•при в кольцо без стыков на месте установки, а также путем специаль-
способа шихтовки сегментов — веерообразного расположения стыков в

*ном слое. Для обмоток статора применяется изоляция на термореак-
виых связующих. Потери в торцевой зоне гидрогенераторов, установ-
Рнс. 4.100. Синхронный генератор СГД

ленных на Саяно-Шушенской ГЭС, снижены за счет применении
нитных нажимных щек полюсов и специальной формы зубцов. К >k I
вило, в настоящее время применяется компоновка гидрогенерашро» ।
тичного исполнения с ротором безвальной конструкции.

Разработаны и внедрены для гидрогенераторов самые мощиыг i
пятники — на нагрузку 3,5-107 Н. Подпятники допускают регулир" ,
эксцентриситета и подачу масла под давлением при пуске и остине
нератора. Гидрогенераторы с новыми подпятниками допускаю!
останов гидрогенератора в течение суток.

На заводе «Электросила» выполнена серия капсульных гичрон
торов с полным водяным охлаждением. На ряде генераторов hii0
тиристорные системы возбуждения. Проведены работы по создали!-
регенераторов мощностью 1000 МВт.

Синхронные генераторы общего назначения используются я |
номных энергетических установках. Они работают совместно с ди
или двигателями внутреннего сгорания.

Генераторы серий ЕСС, СГД, СТН изготовляются в горизошал
исполнении с явновыраженпыми полюсами на роторе защишсиииЦ
открытого исполнения. Возбудитель сопрягается с валом генерим
имеет клиноременную передачу. Общий вид синхронного п л
СГД показан на рис. 4.100.

Технические данные генераторов серий ЕСС, СГД, СГН пи чм
50 Гц, cos<p = 0,8 приведены в табл. 4.6. Для примера взяты rein |м<
наименьшей, средней и наибольшей мощности. Генераторы серин
имеют автоматическую систему регулирования напряжения. Блок |
рования монтируется на корпусе генератора.
I «блица 4.6. Технические данные генераторов общего назначения

мпнальная  •«ншость, «НА	Частота вращения, об/мин	Номинальное напряжение, кВ	кпд, %	Размеры, м		Масса, т
				длина	щирина	
6,25	1500	0,4	79	0,56	0,398	0,125
М)0	500	6,3	92,4	3,27	1,73	4,95
4000	600	6,3	96,4	4,71	2,25	19,5

Для обеспечения надежной работы энергосистем необходимо иметь
1Ш11.КО резерв генераторной мощности на станциях, но и сбалансиро-
количество реактивной мощности в энергосистеме.

Для генерирования и потребления избытка реактивной мощности
цяются синхронные компенсаторы. Синхронные компенсаторы
 нишются на базе синхронных генераторов закрытыми, с воздушным
»• иным или водородным охлаждением и предназначаются для работы
••врытых помещениях Предусматривается асинхронный пуск компен-
Ktjioii при пониженном (до 40—50%) напряжении [12].

I» 1абл. 4.7 приведены технические данные нескольких синхронных
игнсаторов серий № (с воздушным) и КСВ (с водородным) охлажде-
Максимальную мощность компенсаторы развивают при перевоз-
• гний (при работе с опережающим со$<р ).

Таблица 4.7. Технические данные
синхронных компенсаторов серий КС и КСВ

1нн  ►  Ч1ЛГ0-  I'"	Мощность, МВА	Напряжение, кВ	Частота враще- ния, об/мин	Потери, кВт	Индуктивное сопро- тивление, %				Размеры, м		Масса, т
					*4	x'd	X'd	Хо	длина	шири- на	
Ш f.	10	6,6	1000	288	185	32	22	10	4,9	3,2	38,5
»II	30	10,5	750	532	160	36	22	9,4	8	3,8	100
1*0 11	50	11	750	700	270	47	30	14	6,3	4,3	145
Iino И	160	15,7	750	1765	205	45	21	13	9,2	4,4	303

। микронные двигатели большой мощности общего назначения вы-
•*шя несколькими сериями и находят применение для приводов
•и, вентиляторов и генераторов постоянного тока [12].

I вихронные двигатели серий СД и СДН изготовляются явнополюс-
» н । оризонтальными, на двух щитовых или двух стояковых подшип-
шщитценными или открытыми с самовентиляцией. Возбудитель
pBticii с валом двигателя клиноременной передачей или непосредст-
венно. Технические данные двигателей серий СД и СДН при
опережающим costp - 0,9 приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8. Технические данные синхронных двигателей
серий СД и СДН

Мощ- ность, кВт	Частота вращения, об/мин	Напря- жение, кВ	КПД, %	Кратность пускового тока	Кратность пускового момента	Размеры, м		
						длина	ШИрИН!	
75	750	0,38	96	5,65	0,93	1,28	0,828	||
1250	1000	6	95,8	6,3	1.3	3,77	1.73	
10 000	600	6	97,2	6,0	1.0	4,91	3,70	4

Примечание. Кратность максимального момента для всех двигателей MnaJM^r lid

Для топливно-энергетического комплекса страны выпускай.,м щ
хронные двигатели, серий СТД и СТДП мощностью от 630 до 12 ММ
и частотой вращения 3000 об/мин. Эти двигатели применяются и м
троприводах нефтяных насосов и газовых компрессоров, на нйс|п I
зопроводах, на химических заводах и в других отраслях промышлсшвя

Двигатели имеют быстродействующую систему тиристорным
щеточных возбудителей. Напряжение двигателей 6 и 10 кВ.

В табл. 4.9 приведены технические данные двигателей серим 1 I
Всего в серии 16 двигателей, выполненных на два напряжения и «М
щих несколько модификаций.

Таблица 4.9. Технические данные двигателей СТД
общепромышленного использования

Тип двигателя	Мощность		КПД, %, при		Размеры •	
	кВт	кВА	6 кВ	10 кВ	длина	
СТД-630-2	630	735	95,8	95,6	4,96	
СТД-2500-2	2500	2870	97,2	97,0	П,1	(1
СТД-12500-2	12500	14200	97,9	97,8	29,5	и

Примечание. Масса двигателей указана для замкнутого цикла веши
без учета массы возбудителя.

Турбодвигатели во взрывобезопасном исполнении серий I h
СТДП выпускаются мощностью 1250—12500 кВт, напряжением 6 i
КПД самого большого двигателя 97,8%, масса 29,5 т.

Для привода мощных воздуходувок доменных печей и кон>
металлургических заводов создаются турбоэлектродвигатели серин 1|
мощностью 20,40,63 МВт и более с регулируемой частотой врано 
480
in» 1,2 номинальной. Двигатели серии ТДС мощностью 20 и 31,5 МВт,
*»и гением 10 кВ имеют КПД равный 98%, массу 57 и 83 т.

< нпхронные микродвигатели в зависимости от конструкции ротора
к.потея с постоянными магнитами. Синхронные двигатели с посто-
ями магнитами имеют на роторе пусковую короткозамкнутую обмот-
* постоянный магнит. В табл. 4.10 приведены некоторые технические
Мыс синхронных двигателей с постоянными магнитами серии ДС на
оу 50 Гц.

I п б л и ц а 4.10. Технические данные микродвигателей серии ДС

йпигателя	Мощ- ность, Вт	Число фаз	Напря- жение, В	Частота враще- ния, об/мии	кпд, %	COS ф		Масса, кг
								
14? IS00/750	16	3	380	1500/750	50	0,5	2,88	3,4
0 ISOOM	13	3	220	1500	40	0,44	3,5	2
<	0,25	2	127	3000	7,2	0,92	1,75	0,3

I иегерезисные двигатели выпускаются нескольких серий на частоту
! '100 Гц в трех-и однофазном исполнении. В табл. 4.11 приведены
• ирые данные отдельных гистерезисных двигателей серий Г и ГТ
иостойкие).

1,<>иее полные данные о сериях синхронных микродвигателей приведены
II

Таблица 4.11. Технические данные гистерезисных
двигателей серий Г и ГТ

Мощ- ность, Вт	Число фаз	Частота, Гц	Напряже- ние, В	Частота вращения, об/мин	Масса, кг
4 7  3,5 60 0,6 25  80	1  3  3  3  1  3  3	50  50  500  50  400  400  400	220  220 40  220  36  200  200	3000  3000  7500  3000  1200 12000  6000	0,9  0,9  0,3  4,0  0,15  1,0  3,7
Глава пятая

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

5.1.	Процессы преобразования энергии
в машинах постоянного тока

Рнс. 5.1. Машина постоянно-
го тока с тороидальной об-
моткой якоря

Электрические машины по типу питания делятся на машины ф
менного и постоянного тока. Машины постоянного тока подключ»ш <
сети постоянного тока. В автономных системах машина постоянно! н к
является источником постоянного тока в генераторном режиме, а и ,«»•
ме двигателя потребляет энергию от источника постоянного тока
Из модели обобщенной электрической машины (см. рис. 1.28) •••—
ну постоянного тока можно получить, если якорь с двухфазной о(>ы
подключить через преобразователь частоты, а обмотку возбужл< >,•
непосредственно к сети постоянного тока (см. рис. 1.31). Как и ан м»
электрических машинах, в машинах постоянного тока поле якоря и
статора (поле возбуждения) неподвижны относительно друг друга.

В машинах постоянного тока пр
зование постоянного тока в многофмЛ
переменный ток осуществляется мс
ским преобразователем частоты —
тором. Собственно к машинам поч»
тока и относятся коллекторные
постоянного тока. Машины, в которм*
образование частоты осуществляет! м
проводниковыми преобразователями
вают вентильными машинами или ммш
ми с полупроводниковыми комму III
они имеют и еще ряд названий.

Процессы преобразования энерг ни • •
шинах постоянного тока начнем pin
вать со схемы машины с тороцдалышЬ
мовской обмоткой (рис. 5.1). В эюй М<Я
каждый виток обмотки якоря присш
коллекторной пластине. Коллекторнм 
стины осуществляют последоватслыив 
единение витков обмотки якоря.
И машине постоянного тока число секций обмотки якоря равно чис-
мшнскторных пластин. Секция состоит из одного или нескольких вит-

	• <ч‘диненных последовательно.

коллекторные пластины изолированы друг от друга и образуют ци-
ip по которому при вращении машины скользят щетки. К неподвиж-
в щеткам подводится постоянное напряжение. Щетки и цилиндр из
^«торных пластин образуют коллекторно-щеточный узел. Секции
kt<>iKii выводятся на коллекторные пластины для обеспечения надежной
М>>-< машины. Принципиально щетки могут скользить непосредствен-
> но проводникам обмотки. Без цилиндра, состоящего из коллекторных
ши, изолированных друг от друга, и были выполнены первые маши-
11 пицце лрошлого века. Обычно, когда говорят о коллекторе, имеют в
ыкже и узлы, обеспечивающие необходимые для удовлетворитель-

*	коммутации механические и электрические свойства.

Число щеток на коллекторе равно числу полюсов машины. Как нель-
g л иать машину только с северным или южным полюсом, так нельзя

>	п одну положительную или отрицательную щетку.

1ок в обмотке якоря машины делится на две параллельные ветви,
► in параллельных ветвей обмотки а равно числу пар полюсов р. Число
- цельных ветвей обмотки 2а = 2р (см. рис. 1.60).

При вращении якоря машины секции (витки) обмотки переходят
пиной параллельной ветви в другую. При этом в них изменяется
плеиие тока. Процесс перехода секции из одной параллельной
b й и другую называется коммутацией. При коммутации изменяется
| л коммутируемых секциях, а ток в параллельных ветвях и поле
ч », создаваемое токами якоря, практически не изменяются. Ам-
Лпда пульсаций тока в параллельных ветвях зависит от числа сек-
I обмотки якоря, включенных последовательно и составляющих
> -ицельные ветви обмотки якоря, и числа секций, находящихся в
и1 III ции.

1мшвалентнои схемой с полупроводниковым коммутатором, заме

km и принципиальную схему ма-
ки постоянного тока (рис. 5.1),
вн я схема машины, показанная
ж 5.2. В этой схеме секции об-
»«н якоря присоединены к преоб-
Ьяц'лю частоты ПЧ, преобра-
рш му постоянный ток в много-
►iiiiii переменный.

। И|р.|щаясь к рис. 5.2, можно счи-
k 'но число фаз т в машине посто-
ни гока равно числу секций

Рис. 5.2. Машина постоянного тока с
полупроводниковым коммутатором
Рис. 5.3. Изменение тока и напряжения
в секции обмотки якоря

обмотки якоря. Как видно из < -
приведенной на рис. 5.2, ц
обмотки машины постоянною
образуют фазу. Фаза — это
между напряжениями в мЦог
ной системе напряжений или
между соседними секциями,
симальное число векторов нищ
ний в обмотке якоря машины ш
явного тока определяется чи

секций обмотки или числом коллекторных пластин (рис. 5.1).

Как и в машинах переменного тока, частота тока в секциях о(И

г Г"1

якоря определяется числом пар полюсов и частотой вращения 7 3 f J

Если в многофазной машине переменного тока ток в фазе, кии
вило, изменяется по синусоидальному закону, то в машине постояш
тока изменение тока и напряжения в секции (фазе) близко к прям«
ному (рис. 5.3). Время коммутации Тк составляет милли- и микросс!
а один оборот якорь совершает за доли секунды, поэтому частота
жения в секциях десятки или сотни герц. Трапецеидальную кривую
пряжения в фазе машины постоянного тока можно разложить в гй|н«
ческий ряд и выделить 1-ю гармонику.

Переменные токи в многофазной обмотке якоря создают врви
щееся поле, которое неподвижно относительно обмотки возбуждения
как частота вращения поля якоря относительно якоря равна часто I»
щения якоря (<ос = ц,). Многофазная обмотка якоря машины постою!
тока может быть приведена к двухфазной.

Как правило, щетки в машинах постоянного тока устанпип
ются на геометрической нейтрали — линии, перпендикулярной
полюсов (см. рис. 5.1), поэтому поле якоря перпендикулярно <
вым линиям поля возбуждения. В первом приближении можно
тать, что в ненасыщенных машинах постоянного тока при шир
имеет место продольно-поперечное намагничивание и поле якор
влияет на поле возбуждения, т.е. поле в машине постоянного
при нагрузке искажается, а поток остается таким же, как и при
постом ходе, когда ток в якоре равен нулю. Процессы преобр!
ния энергии в машинах постоянного тока ближе всего к проц
преобразования энергии в синхронных машинах при чисто ак i
нагрузке.

Как и все электрические машины, машины постоянного том
тимы, т.е. они могут работать в генераторном и двигательном режгр
Двигатели постоянного тока обеспечивают большие пределы регули-
«лния частоты вращения при высоких энергетических показателях и
оптических характеристиках, удовлетворяющих требованиям боль-
lin гва механизмов. Двигатели постоянного тока используются на
•нспорте (электровозы, тепловозы, трамвай, троллейбус, мотор-колеса),
| тиках, прокатных станах, кранах, судовых установках и др. Двигатели
« шинного тока широко применяются также в авиации, автомобилях,
шпорах и космической технике. Они могут получать питание от акку-
рииорных батарей и солнечных элементов. Многие автономные энерге-
гич кие системы — системы постоянного тока, и двигатели постоянного
bin и них находят все большее применение.

I операторы постоянного тока применяются для питания электролиз-
их и гальванических установок и питания обмоток возбуждения син-
(11П1ЫХ машин. Во многих автономных установках генераторы постоян-
ен гока вырабатывают большую часть мощности, необходимую для
I печения электродвижения судов, тепловозов и других передвижных
иконок. Широко распространены генераторы со специальными харак-
ш гиками, необходимыми для сварки, освещения поездов, привода
«пнаторов, получения мощных импульсов и других применений. По-
тное напряжение можно получить, используя синхронный генератор,
юппощий на выпрямители. Такие системы не имеют коллектора и ши-
ц| применяются в автономных энергосистемах.

11едостатком машин постоянного тока является их относительно вы-
М стоимость, а также наличие скользящего контакта в виде щеток и
и» к гора. Механический преобразователь частоты — коллектор встро-
 машину и составляет с ней единое целое. Наличие встроенного пре-
и шпателя частоты и определяет несколько более высокую стоимость
пипы постоянного тока по сравнению со стоимостью асинхронных и
иронных машин.

Несмотря на усилия больших коллективов, направленные на созда-
• преобразователей частоты на полупроводниковых приборах, элек-
нриноды с такими преобразователями и асинхронными или синхрон-
ен двигателями в 1,5+2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с
I щелями постоянного тока. В истории электромашиностроения было
...ко периодов, когда считали, что машины постоянного тока долж-
Вуду г уступить свое место машинам переменного тока. Однако этого
нротошло — выпуск машин постоянного тока неизменно увеличива-
• и они находят все новые области применения. Машины постоянного
- и будущем будут применяться, и изучение теории и практики их
•*м пения имеет важное значение.
5.2.	Уравнения машин постоянного тока

Машины постоянного тока — многообмоточные электрически
шины. На статоре машины может быть выполнено несколько ой^Н
возбуждения: обмотка независимого возбуждения w„, обмотка пости >«•
тельного (сериесная) wc или параллельного возбуждения (шун >в i
компенсационная обмотка обмотка добавочных полюсов w№ (pin
Хотя на якоре и располагается одна обмотка, иногда необходимо уч
вать контуры вихревых токов. В переходных процессах следу» i
вать контуры в стальных участках магнитопровода статора.

Упрощенная схема машины постоянного тока показана на pin •
Многофазная обмотка якоря приведена к двухфазной и обозначепи
w,q. Как и синхронные, машины постоянного тока лучше исследим^
координатах dq. Jips. машины, схема которой показана на рис. 5.5,
быть записаны следующие дифференциальные уравнения:

машины постоянного тока
< и„ ис, илп, ик, ия — соответственно напряжения на обмотке независи-
• но возбуждения, последовательного возбуждения, добавочных полю-
компенсационной обмотки и обмотки якоря; i„ i, — токи в обмотке
мпнисимого возбуждения и в якоре (в обмотках wc, wnn, wK, соединен-
последовательно с якорем, протекает ток якоря), при этом токи в об-
цках и ьу1? одинаковые, равные гв, гс, гл„, гк, г, — активные со-
miивления обмотки независимого возбуждения, последовательного
►осуждения, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки

 ч>я; е — ЭДС вращения:

е = ссорФ ;	(5.2)

► ь с — коэффициент, зависящий от конструкции машины; Ф — маг-
и 1И.1Й поток в зазоре; <пр — частота вращения якоря. Падение напряже-
 иод щетками учитывается в ЭДС вращения; Тв, Тс, Тдп, и Т, —

июкосцепления обмотки независимого, последовательного возбужде-

►и, добавочных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки якоря:

с№ di

dt

dt

dit
~dt’

= Lan— + Мвпя— + Млпя
dt д dt я dt

dt

(5.3)

di di di

—-=iM—+мяя —
dt dt dt д dt

I I ... (-C, iftro Рю Ltd И Ptq — полные индуктивности обмоток; Мв а Мля,
к* А/, л, A/jluя, ЛУКдп, Л/кя, АГЯс, Мян, А^|к, Мядп взаимные индук-
ции in между обмотками. Индексы обмоток характеризуют взаимные
М^1ипности. Например, Мс я — взаимная индуктивность между сери-
«И| (Ц)МОТКОЙ и обмоткой якоря и т.п.

Опмотка якоря машины постоянного тока имеет одну пару щеток,
 ннпоженных на геометрической нейтрали. Для определения напряже-
и пн щетках достаточно знать потокосцепления по продольной оси. В
Il дня определения и„ принимается потокосцепление обмотки якоря по
М1ЛЫЮЙ оси машины. В (5.3) записаны потокосцепления обмотки
и но продольной и поперечной осям машины. При этом учитывается
Рис. 5.6. Упрощенная матема-
тическая модель

влияние тока якоря на поле машины >«
продольной и поперечной осям машины

Подставив значения потокосцеН'юнЛ
в (5.1), получим уравнения напрю
машины постоянного тока. Урипн-и»
электромагнитного момента будет ituir
чать все произведения токов по про к
ной и поперечной осям машины. Cm i
уравнений напряжений и уравнения
жения, как и для других типов элекци
ских машин, будет описывать проц
преобразования энергии в переходит I
установившихся режимах. Однако I
уравнения достаточно громоздкие, с нмф

нейными коэффициентами, и редко применяются для исследовании fl
шин постоянного тока.

При изучении машин постоянного тока для анализа процессов щ *
образования энергии достаточно рассмотреть простейшую схему с плнЛ
обмоткой возбуждения на статоре и одной обмоткой на роторе (ри<

Для схемы рис. 5.6 можно записать следующие уравнения:

=ь,—+4

’	' dt

di.

dt

и, = L — + М — +1 г + е,
'	’ dt “ dt ' ц

где и„, и, — напряжения на обмотках возбуждения и ткоря (рассып риф
ется только напряжение якоря по продольной оси машины, которое I
значено и,); LB, Z, — полные индуктивности обмоток возбуждения и *»
ря; Мв„ А/,.в — взаимные индуктивности между обмотками возбу»	• I

и якоря и обмотками якоря и возбуждения; гц, — активное сопротиыг fl
цепи обмотки якоря:

ця



= Г» + +'кп + >

которое включает активные сопротивления обмоток якоря, послед I
тельной обмотки возбуждения, добавочных полюсов и компенсации*кЛ
обмотки. Падение напряжения под щетками входит в (5.4) в ЭДС ирш •
ния е.

Чтобы от дифференциальных уравнений (5.4), описывающих
ходные и установившиеся режимы, перейти к уравнениям устаноштнф
гося режима, достаточно в (5.4) приравнять члены с производными ну А
а не умножать их на jeo, как это делалось в машинах переменного *»»<
Так как машина подключена к сети постоянного тока и расчеты нсднИ
488
|ii । оку якоря, протекающему по отношению к преобразователю частоты —
injincKTOpy со стороны постоянного тока, анализ процессов преобразова-
utiii энергии в установившемся режиме можно вести только с учетом по-
|10НННЫХ токов.

Уравнения машины постоянного тока в установившемся режиме из (5.4):

(5.6)

£ = сорФ,	(5.7)

*	— сопротивление обмотки возбуждения и регулировочного рези-

ч>р.|, включенного в контур возбуждения; 7?, — внутреннее сопротивле-
•ж- машины, включающее все последовательные сопротивления в цепи

>ря. Е—ЭДС вращения (напряжение при холостом ходе машины), (5.2).
111ice для упрощения записи индекс «я» у напряжения Uбудет опущен.

11ри нагрузке поле в машине создается как током обмотки возбужде-
на». 1к и током якоря. Результирующий поток в машине зависит от на-
1>нки и схемы соединения обмоток возбуждения (см. рис. 5.4). Чтобы
»и><’ кать значительного влияния тока нагрузки на поле возбуждения, в
пинах постоянного тока выполняют компенсационную обмотку. При
• 1М< пении нагрузки поток в воздушном зазоре изменяется: Ф = 7(44)-
«мснение потока при изменении нагрузки учитывается при конструиро-
•ИН1И машин постоянного тока.

11о существу (5.6), (5.7) и нелинейная зависимость магнитного пото-
 in гаков, протекающих в обмотках машины, и являются математиче-
••иП моделью процессов преобразования энергии в машинах постоянного
ми.

В генераторном режиме Е> U, где U — напряжение сети. В двига-
Ш11.И0М режиме U > Е. Поэтому в (5.7) перед падением напряжения на
и । рением сопротивлении стоят знаки плюс и минус.

Момент на валу машины постоянного тока

Мэм=сФ7,.	(5.Ю

Уравнения могут быть получены из представления машины в виде
шрехполюсника с двумя электрическими и двумя механическими вы-
I 11ми (рис. 5.7). В машине, представленной на рис. 5.7, так же, как и в

нцшах переменного тока, на элек-
. о н еких выводах присутствует час-

•Hii / которая может быть отнесена к

in у - 0) или к токам в обмотке яко-

V- Рп

М IJIC J =	.

60

Рис. 5.7. Простейшее представле-
ние машины постоянного тока как
четырехполюсника
При холостом ходе генератора постоянного тока (/, = 0) поле и **
шине создается обмоткой возбуждения, в которой протекает посгоиш
ток /в. При этом U = Е. Электродвижущая сила вращения (или пршим
ЭДС) уравновешивает напряжение сети. В генераторном режиме дня ы«
шины с независимым возбуждением ток в якоре генератора

л в

К.н

Механическая энергия, подводимая к валу машины, преобра«угц« i
электрическую.

В двигательном режиме электрическая энергия преобразуется и м*
ханическую. Ток в двигательном режиме



В режиме работы двигателем при холостом ходе машина потрссы. и
электрическую мощность из сети, которая идет на покрытие потерь
стогохода, и/,^0,а1/*Е.

5.3. Конструкции машин постоянного тока

Якорь Пачинотти—Грамма (см. рис. 5.1) имеет ряд недостап»*
плохое использование меди, трудоемкость изготовления. Чтобы I
шить использование меди, части секций обмотки, лежащие на Biiyiprin
части якоря, которые не пересекают силовых линий магнитного tm
необходимо вынести на наружную часть якоря. Это выполнено п
банном якоре, в котором секции обмотки лежат на внешней части цп-л
дрического якоря (смл рис. 1.58). Практически все современные мши|
имеют цилиндрический якорь с пазами на его внешней поверки .
Приведение граммовских обмоток к двухслойным обмоткам машин •
стоянного тока рассмотрено в гл. 1.

На рис. 5.8 представлены продольный и поперечный разрезы
гателя серии 2П с тахогенератором серии 2ПАТ. К станине 1 дтия<
болтами 2 крепятся главные 3 и добавочные полюсы 4. На валу 5 дм
теля находится магнитопровод якоря б с обмоткой якоря 7. Секции <
мотки якоря присоединены к коллектору 8. На вал двигателя naiipri ♦ 4
ны вентилятор 9 и балансировочное кольцо 10. Якорь машины сое дню
со статором подшипниковые щиты 11, в которых находятся подпиши
12, закрепленные крышками 13. К одному из подшипниковых щинт о(
пится траверса 14, на которой расположены щеточные пальцы 15 си 'М
•каталями 16. В щеткодержателях находятся щетки 17, обеспечи-
вшие при вращении скользящий контакт с коллектором.

< клаждение двигателя осуществляется вентилятором, который прогоня-
ц.цух через машину от подшипникового щита, на котором крепится тра-
М со щетками, через промежутки между обмотками главных и добавоч-
- полюсов к другому щиту машины. Воздух в машину засасывается через
Цч Ч1Я в защитной ленте 18, расположенные у щита со щетками, и выбра-
►Г1ся через отверстия в станине, закрытые лентой у другого щита. На-
ви vine потока воздуха обеспечивается диффузором 19. На станине маши-
I ним»,читая также коробка выводов 20, а для измерения частоты вращения
шиипипниковом щите укреплен тахогенератор 21. Обычно тахогенератор
•ИН111ЯСТСЯ на базе генератора постоянного тока, имеющего линейную зави-
и и выходного напряжения от частоты вращения.

। >бмотки возбуждения расположены на главных полюсах (рис. 5.9).

•ч.| 1 собираются из штампованных листов электротехнической ста-
Рис. 5.9. Конструкция обмоток возбуждения

ли толщиной 0,5—2 мм и крепятся шпильками 2. Иногда полюсы им*«
няются литыми. В полюсах имеются отверстия с резьбой 3 для крепи «ж
полюсов к станине. Катушки обмотки независимого или параллели»*-
возбуждения 4 выполняются из относительно тонкого провода, а кшуЯ
обмотки последовательного возбуждения 5 — из проводов большей и -*
чения, так как по ним протекает ток якоря.

Катушки возбуждения укрепляются на полюсах с помощью июшф
онных прокладок и клиньев. Катушки отделены друг от друга капли .
которые обеспечивают лучшее охлаждение обмоток возбуждения.

Для намотки катушек обмоток возбуждения применяются
круглого и прямоугольного сечения.

Добавочные полюсы расположены между главными полюсам» •
предназначены для обеспечения удовлетворительной коммутации •
является необходимым условием для надежной работы машины п<ч <•
ного тока.

В машинах постоянного тока станина является одновременно «|<<•
статора и в ней замыкается поток возбуждения. Ярмо выполнясь» •
стального литья, проката, а в машинах небольшой мощности — in i|H
В некоторых случаях для обеспечения быстродействия ярмо выполнив
шихтованным.

Сердечник якоря набирается из таких же штампованных л» •
электротехнической стали толщиной 0,5 мм, как и в машинах перем •
го тока. В листах сердечника имеются пазы, отверстия для вала и
ляционные каналы. В зависимости от мощности пазы выполняют! q м
крытыми или полузакрытыми. Закрытые пазы в машинах постоящЛ
тока не применяются. Форма паза зависит от мощности машины н •
пользуемого провода. Провода обмотки якоря, как правило, медные

В машинах постоянного тока большой мощности, имеющих ди-iMQ
ротора больше 990 мм, сердечник якоря набирают из сегментов,» • «в
прикрепляют к ребрам крестовины якоря (рис. 5.10). Размеры cei -<«-<
выбирают, исходя из лучшего раскроя листа.
/(ля крепления к ребрам крсстови-
и и сегментах предусматриваются вы-
Yiii.1 в форме ласточкиных хвостов
м крепление осуществляется клинья-
ч 11ри переходе от слоя к слою сег-
И1П.1 собирают с перекрытием друг
|iviii, что обеспечивает меньшее маг-
ните сопротивление и большую ме-
нт юскую прочность.

Рис. 5.10. Магнитопровод якоря
машины постоянного тока боль-
шой мощности

Сердечник якоря машин средней и большой мощности состоит из
>пов, разделенных друг от друга распорками, которые образуют ради-
.... вентиляционные каналы. Распорки одновременно выполняют
п. ветрениц, которые направляют воздух из аксиальных каналов к пе-

]|Срии якоря.

< )бмотку якоря укладывают в пазы и крепят клиньями. Лобовые час-
иеугренними поверхностями опираются на обмоткодержатели 22 (см.
। 5.8). Для крепления обмотки на внешней поверхности лобовых час-
I применяют проволочные бандажи.

I оллектор (рис. 5.11) набирают из медных пластин 1, изолированных

Н си друга миканитовыми прокладками 2. Для изоляции пластин от
oivca 3 на нажимные фланцы 4 надевают прессованные миканитовые
Иже гы 5. Нажимные фланцы стягивают кольцевой гайкой 6. Секции
ти ки якоря припаивают к петушкам 7. Коллектор подвергают термо-
1>||(><>гке таким образом, что он образует монолитную конструкцию,
ипочающую биения и вибрации.

По внешней поверхности коллектора скользят щетки, расположен-
| и щеткодержателях (см. рис. 5.8), которые за счет пружины обеспе-
<ь.ин определенное нажатие щетки на коллектор и надежный контакт
>ikii с коллектором при всех режимах работы машины. Щеткодержате-
i щетками одной полярности укрепляются на щеточном пальце. [Де-

нис пальцы разной полярности изолированы друг от друга и смонти-
мпы иа общей траверсе. Обычно число щеточных пальцев равно числу
inn-он. Щеточные пальцы одной полярности соединяют между собой

5 11. Конструкция коллектора

сборными шинами. Шины
подсоединяются к выво-
дам машины.

При нагрузке поле
якоря искажает поле воз-
буждения и может «опро-
кинусь» его, т.е. под ча-
стью полюса поле может
изменить направление.
Рис. 5.12. Верхняя часть разъемного статора машины большой мощности

Чтобы скомпенсировать влияние поля якоря, в машинах мощное .ът । •
кВт и выше выполняется компенсационная обмотка К (рис. 5.12), ш. I
располагается в пазах главных полюсов. Магнитодвижущая сила ш
сационной обмотки, примерно, равна МДС поля якоря, и эти МДС М
вуют встречно, компенсируя друг друга. Поэтому в машинах с komi
ционной обмоткой поле в воздушном зазоре при холостом ходе и iiwffl
ке не изменяется.

Конструкция машины определяется в основном мощностью и ч *
той вращения. Машины постоянного тока изготовляются мощно* w 4
нескольких ватт до 20000 кВт, напряжением до 1000 В и часто* *ч
ния от десятков до нескольких тысяч оборотов в минуту.

Двигатели большой мощности индивидуального исполнении
товляются в двухъ- и трехъякорном исполнении. На рис. 5.13 и. -
двигатель типа 2МП14 000-190 ЛПЭО «Электросила» (мощность
кВт, напряжение 930 В и частота вращения 190/400 об/мин). Диш
предназначен для привода листовых прокатных станов. На одним аМ
смонтированы два якоря, обеспечивающие мощность 700 кВт
Машина имеет два статора и общую станину. Двигатели постояншннI
ка мощностью 1250 кВт и частотой вращения 80 об/мин в одном»* 
исполнении выпускаются для приводов шахтных подъемных машин t
пускаются также двигатели типа 2МП 19600-150 мощностью 14'11» «4
В *.13. Двухъякорный двигатель 2МП мощностью 14000 кВт, 190/400 об/мин

и|и.^ением 1200 В, ток каждого якоря 6400 А, частота вращения
и 195 об/мин. Двигатель имеет 18 главных и дополнительных полюсов.
|»1П1 машины 7445 мм, наружный диаметр 4500 мм. Масса якоря 80 т,
шн масса с охладителями 178 т.

крупные генераторы постоянного тока изготовляются мощностью до
ООО кВт, напряжением 930 В, частотой вращения 500—375 об/мин.

II повой серии машин постоянного тока 4П все инструктивные дета-
| ш'лях унификации выполнены на базе асинхронных машин серии 4А.

11< которые конструкции специальных машин постоянного тока рас-
»и|>гны в конце этой главы.

5.4. Обмотки якорей машин постоянного тока

< и»мотки якорей машин постоянного тока делятся на простые и
иые. Обмотки, как правило, двухслойные, симметричные. Простые
ши выполняются петлевыми и волновыми. Сложные обмотки co-
la । in двух-трех простых петлевых или волновых обмоток. Сложная
кн, объединяющая простую петлевую и волновую обмотки, назы-

•• а лягушечьей. В многообразных конструкциях машин постоянного
и >речаются и другие разновидности обмоток, но классификация,
►кгденпая выше, охватывает основные виды обмоток машин посто-

AL

!.

!
янного тока.

Рис. 5.14. Секции обмоток машин постоянного
тока

иметь в виду, что m •
ные соотношения и м«*
магических моделях
цессов преобра юи
энергии, практичени а
зависят от типа oomi .

На рис. 5.14, а—в представлены секции петлевой, волновой и !•>,
шечьей обмоток.

Секции обмотки образуют катушки, которые укладываются в ><•.
(см. рис. 1.53). Катушка имеет общую пазовую изоляцию и соею >
одной или нескольких секций. Секция состоит из одного или несть. •
витков. Виток состоит из двух или нескольких проводников.

Секции образуют обмотку, которая может состоять из двух ним •
скольких параллельных ветвей. Каждая ветвь имеет последовате ti.hu
единенные витки и проводники. Последовательно соединенные пн>.|
определяют напряжение, а параллельные ветви — ток машины. (Юн
объем меди при определенной плотности тока характеризует moiiiik |
машины постоянного тока.

Число элементарных пазов якоря совпадает с числом секций
якоря и равно числу коллекторных пластин К.

Рассмотрим построение простой петлевой обмотки, для котор- >п
у = 1, а шаг по коллектору ук = 1. Первый частичный шаг yj выАиреЯ

z

близким к полюсному делению: yt < ——. Второй частичный шаг ri
2р

у, - у = уг. В реальном пазу может располагаться одна или не» 11 •> i
секций. Если в пазу лежит одна секция, число пазов z равно числу
тарных пазов z3.

Схема простой петлевой обмотки для z = z3 = 14, 2р = 4у > i,Н

z,	14 2	. , „

у. —— ±€ = — + — -4, у2=у1-у = 4-1 = 3, представлена на рн< |

2р	4 4

В простой петлевой обмотке число параллельных ветвей 2а = 2/». а Ц
сматриваемом случае равно 4. Число щеток равно числу полюсов.

В двухслойной обмотке одна сторона секции лежит на дне ни*
другая — в верхней части паза. Это хорошо видно из схемы pm
которая иллюстрирует расположение секций в пазах якоря.

При наличии параллельных ветвей из-за несимметрии во-|дуц.1>*
зазора могут возникать уравнительные токи. Эти токи, замыкаясь ><уя
щетки одной полярности, могут ухудшить коммутацию машины ’И
инительные токи не за-
мшись через щетки, при-
hi ют уравнительные со-
шения, которые соеди-
и равнопотенциальные
|«и обмотки (рис. 5.15).
политически удобно
мнительные соединения
поднять, соединяя про-
шиками коллекторные
II । ины.

Для удобства на схеме

Уравнители первого рода

Рис. 5.15. Простая петлевая обмотка (z, = к = 14,
2р = 4,У1 = 4,у2 = 3)

ники показано соедине-
однопотенциальных то-
со стороны лобовых
И‘Й обмотки, противо-

южных коллектору. Такие уравнительные соединения называются
мнительными соединениями первого рода. Следует отметить, что
мнительные токи — токи переменные, так как они замыкаются в об-
Гкс, минуя коллектор. Уравнительные токи создают вращающееся маг-
нию поле, неподвижное относительно обмотки возбуждения. Поле

мнительных токов уменьшает токи несимметрии, тем самым снижая
чнпие несимметрии на характеристики машины. Объем меди уравни-
Ю1ых соединений обычно составляет 20+30% объема якорной обмотки.

11а схеме обмотки видно, что секции, которые замыкаются щеткой,
му тируются, т.е. переходят из одной параллельной ветви в другую (от
ш и о полюса — к другому). Хотя щетки находятся под серединой по-
I и, коммутация секций происходит между полюсами в зоне коммутации.

11ри волновой обмотке обход якоря заканчивается на коллекторной пла-
ще. находящейся слева или справа от пластины, с которой начиналось по-
им иие обмотки. Если при обходе происходит смещение на одну' пластину
«и (на пластину с меньшим номером), обмотка называется неперекрещи-
•нп'йся В противном случае получается перекрещенная обмотка.

Шаг по коллектору простой волновой обмотки с числом коллектор-
нластинК определяется

.? 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

’ 6 7 8 9 10 11 12 13 14 1 2 3 4

VI6. Схема расположения секций в пазах для
пли рис. 5.15

Х + 1

А =У =-----

Р

Знак «-» относится
к неперекрещенной об-
мотке, а «+» — к пере-
крещенной.
Рис. 5.17. Волновая обмотка (z3 = к = 17,2р = 4,у( = 4, уг = 4)

Для волновой обмотки, показанной на рис. 5.17, 2р = 4, z=z3=Л 1 >

г,-1 П-l „
у*=у=-—=-т—=8;
р 2

гэ	17 1 .

у. = ——е =----= 4;

2р	4 4

Уг = У~У\ =8-4 = 4.

Схема простой неперекрещенной волновой обмотки приведи
рис. 5.17.

На рис 5.18 показана схема расположения секций в верхней II
ней частях пазов якоря.

Число параллельных ветвей в простой волновой обмотке 2а )
зависит от числа полюсов. Достоинством волновых обмоток являсг

что они не требуют уравнительных соединений

сами секции оПм

являются уравнителями, так как стороны секций, соединенных п<и

вательно, находятся на эквипотенциальных образующих цилиндр»

(рис. 5.17).

Сложные петлевые обмотки состоят из двух (редко из трех) п|
петлевых обмоток. Шаг сложной обмотки у = уК = 2 (при двух обмо

I 9 17 8 16 7 15 6 14 5 13 4 12 3 И 2 10

5 13 4 12 3 11 2 Ю 1 9 17 8 16 7 15 6 14

Рис. 5.18. Расположение секций в пазах простой неперекрещенной волновой |
Uni j'j и y2 определяются так
i кик и для простой обмотки. В
। щснные пазы укладывается
Ы>цн обмотка сложной петле-
I пометки (рис. 5.19) для 2р =
I । z, = 20, т = 2 (две простые
 и’пые обмотки). Для сложной
иктюй обмотки у = ук = 2,

X,	20 1 К

Ь —+е =—+1 = 6,
2р	4

1	9 17 7 15 5 13 3 11

АЛАЛАЛАЛА

6 14 4 12 2 10 18 8 16

2 10 18 8 16 б 14 4 12

/хЛАААГА/'Л

7 15 5 13 3 11 1	9 17

Рис. 5.19. Расположение секций в пазах
сложной петлевой обмотки (гэ = 20,2р - 4,
т = 2)

<.-2 = 4.

Одна простая обмотка лежит в нечетных пазах и подсоединяется к
|| шым коллекторным пластинам. Вторая укладывается в четные пазы
iiii'ii уединяется к четным коллекторным пластинам. Две простые пет-
ры<- обмотки соединяются параллельно щеткам. Такие обмотки назы-

иногда двукратно-замкнутыми.

Число параллельных ветвей в сложной обмотке 2а = 2рт. Таким об-
ком, число параллельных ветвей в сложной обмотке удваивается (т = 2)
и у|раивается (т = 3). Это дает возможность снизить ток в параллель-
й пещи в 2 или 3 раза.

Однопотенциальные точки одной простой обмотки соединяются
-ииптельными соединениями с другой петлевой обмоткой. Такие со-
пения называются уравнительными соединениями второго рода. Ta-
in ооразом, в сложных петлевых обмотках применяются два вида урав-
)|г|ц.ных соединений.

I ('ложные волновые обмотки обычно состоят из двух простых волно-
нпмоток, которые укладываются в пазы на одном якоре и присоеди-
ни я к одному коллектору. Сложные волновые обмотки из трех про-
волновых обмоток практически не применяются.

Число параллельных ветвей в сложных волновых обмотках 2а - 2т,
. т — число простых волновых обмоток. В сложных волновых обмотках

1	5 7 9 11 13 15 17 19

9 11 13 15 17 19 1 3 5

4 6 8 10 12 14 16 18 20

10 12 14 16 18 20 2 4 6

МО. Расположение секций в пазах слож-
нппновой обмотки (z, = 18, 2р = 4, т = 2)

применяются уравнительные
соединения второго рода.

На рис. 5.20 показана
схема соединении секцион-
ных сторон сложной волно-
вой обмотки, имеющей 2р = 4,
2а = 4, z = z3 = К = 18, т = 2,
18-2 „

Л =У = —= 8,
У.=^+| = 5,у2=8-5 = 3.

Лягушечья обмотка, секция которой показана на рис. 5.1.4, в, и]
ставляет собой объединение простой петлевой и простой волновой обмош*

При проектировании якорей машин постоянного тока неоохоли
соблюдать условия, обеспечивающие получение симметричных обмок»

1)	— -- целое число;
z

г,

2)	— = целое число;

а

к

3)	— = целое число;
а

4)	—— = целое число.
а

При несоблюдении этих условий один элементарный паз може| н«»
заться незаполненным секцией обмотки. В пазу будет свободное mci hi, |
коллекторные пластины будут все заняты. В этом случае, чтобы сочЩ
нить балансировку якоря, свободное место в пазах заполняется семпс»
которая не присоединяется к коллектору и не участвует в создании •Д
Такие обмотки называются обмотками с мертвой секцией. Они могу  I
лучиться при использовании якоря для новой обмотки во время ремни»
машины. При проектировании новых машин применение обмоток с мп
вой акцией исключается.

При выборе типа обмотки исходят из того, что ток в пара) ле imM
ветви не должен превышать 250—350 А. Это определяется рациона пшм*
выполнением пазов, коллекторных пластин, а главное, при больших нив
не удается обеспечить удовлетворительные условия коммутации.

Простая петлевая обмотка применяется в низковольтных машина
при больших токах в якоре. Простые волновые обмотки допускают
нительно низкие токи, так как в них 2а = 2, но они не требуют урнп»#
тельных соединений, что является их достоинством.

Сложные обмотки применяются в машинах большой «лщкхти, »н
гда необгодимо иметь большое число параллельных ветвей, а так*» |
машинах с тяжелыми условиями коммутации.

5.5.	Холостой ход генератора постоянного тока ।

При холостом ходе машины постоянного тока, работающей в гокв
торном f ежиме, ток в якоре /я = 0, а магнитное поле в воздушном м и<0
1<ндается обмоткой возбуждения (рис.
Л). В машинах постоянного тока не
нремятся к синусоидальному полю в
«> (душном зазоре при холостом ходе,
>>юму зазор под полюсным наконеч-
ником обычно делают равномерным, а
ширину полюсного наконечника берут
ришой Ьр = 0,65-5-0,75т. При этих усло-
«инх на холостом ходу поле близко к
||чшецеидальному. Трапецеидальное no-
te можно при расчетах заменить прямо-
рольным полем с индукцией Вср. При
•греходе к индукции Вср поток на по-
енном делении остается таким же, как
«при трапецеидальном поле

Рис. 5.21. Поле машины посто-
янного тока при холостом ходе

“8

(5.П)

he 4 — активная длина проводника обмотки якоря.

Если обмотка якоря имеет N проводников, а число параллельных
► шей 2а, то число последовательно включенных проводников в парал-
N

► диной ветви —. Тогда ЭДС якоря
2а

2о S	a *=i

(5-12)

I"	— индукция в воздушном зазоре под Л-м проводником.

В (5.12) произведение под знаком суммы представляет собой ЭДС
•нка

e,=B5t/sv-	(5.13)

It* как окружная скорость якоря

ц = 2ртл,	(5.14)

» п — частота вращения якоря, об/с, то ЭДС якоря в отличие от (5.2)

•*ег быть выражена через частоту вращения

NN	Nn

Е= ^^Bl&v = -^—Bliv = ^—Bli2pxn = —^-Bl6xn = ce<^n. (5.15)
“ 2а 2а	а

и (5.15) постоянный коэффициент
Рис. 5.22. Наведение ЭДС в вит-
ке с укороченным шагом у < т

если п — в об/с, и

если частота вращения — в об/мин.

Коэффициенты в формулах (5.2) И
(5.15) связаны соотношением

e = ±- = J^.	011,

2л 2па

Если обмотка выполнена с укороченным шагом, а на якоре есть « 
пазов, это учитывается уменьшением потока воздушного зазора ()>«•
5.22), сцепленного с витком обмотки якоря. В машинах постоянно-о  н
обычного исполнения влияние укорочения и скоса на ЭДС неболыш»- »
не учитывается при расчете.

При определении Е можно рассматривать неподвижный якорь I
вращающиеся полюсы с обмоткой возбуждения. Естественно, Е при н •
не изменится. Можно определить Е при неподвижной обмотке якп|« |
учетом того, что в воздушном зазоре вращается магнитное поле Ф. К н »
в машинах переменного тока, можно ввести обмоточный коэфф ши
ко = к^ку, равный произведению коэффициентов распределения и укор
чения. Коэффициент ку в обычных машинах постоянного тока бли юн

2

Считая, что обмотка якоря распределенная, получаем к = — (отпою
л

диаметра к длине полуокружности).

Магнитную цепь машины рассчитывают при холостом ходе и
но на один полюс. Магнитная цепь машины постоянного тока, как It р
гих электрических машин, состоит из пяти участков (рис. 5.23).

Магнитодвижущая сила на один полюс

22^ = ^8(3,4) + ^*г(4,5) + ^т(2,3) + ^а(З.б) + ^с(1,2) ’

где F8(3.4), F&.S), ^т(2,зъ ^(5.6), Fc(1>2) — МДС воздушного зазора, iH-

якоря, полюса, ярма якоря
и ярма статора; цифры в
индексах соответствуют
границам участков.

Магнитодвижущая си-
ла воздушного зазора

Fs=—Bs5ks, (5.20)
Но

Рис. 5.23. Магнитная цепь машины по,
тока

где ке — коэффициент воз-
душного зазора, учитыва-
-иций увеличение магнитного сопротивления зазора из-за неравномерного
г* । [ределения индукции, обусловленного наличием зубцов и пазов на якоре.

При гладкой поверхности полюсного наконечника коэффициент воз-
мшого зазора можно определить по формуле

er— зубцовое деление:

=—~>
/г-У8’

* Z.

(5.21)

(5.22)

t <гсь О, — диаметр якоря; Z, — число пазов на якоре. Коэффициент у:

(5.23)

L />,, — ширина раскрытия паза. В машинах с открытым пазом Ьп равно
цырнне паза.

Обычно к6 определяется по полуэмпирической формуле

г+108

8п + 10б'

(5-24)

11ри расчете зубцовой зоны считают, что поток проходит по зубцам.
№н больших насыщениях зубца часть потока вытесняется в паз. При
(«моугольных пазах зубцы якоря трапецеидальные и расчет индукции и
<(<' осуществляется для трех сечений (рис. 5.24).

Зная ширину зубца bzcp и hzmin, находим значения индукции в
>ич сечениях:

в ф-

1 ЪЛ„ ъл„

 8, — ширина зубца соот-
| । пенно в трех сечениях; I —
)nui.i машины; ls — расчетная
Ьнн.1 машины (без вентиляци-
Ь>мх каналов); к„ — коэффи-
VIII заполнения пакетов сер-
• пиша якоря сталью, Лст =
Иго 0,94.

Рис. 5.24. К расчету зубцов якоря

При расчете индукции в
Нчцшюм зазоре считают, что
индукция в зазоре распределена равномерно, а в зубцах поток про>н*
по стали.

Определив по кривым или таблицам для данного сорта стали I
^4min и Я2ср, найдем среднее значение напряженности в зубце (рис. *>,  ц

тт zmin + ^smax	.Н

/7 _ —--------------.	IF

6

После этого вычисляем МДС зубцов:

F. - H.h.,	г I

где hz — высота зубца.

При индукциях, больших 1,8 Тл, необходимо учитывать вытеф^Н
потока в паз, так как при насыщении зубцов часть силовых линий «и в
замыкается параллельно стенкам паза. При расчете потока в ионии*
учитываем поток рассеяния обмотки возбуждения

Ф„,=Ф8+ФО,	14»

где'Фа — поток рассеяния, замыкающийся вокруг обмотки возбуди
не сцепленный с обмоткой якоря. Поток рассеяния замыкается АуЛ
лобовых частей по воздуху и по добавочным полюсам. Поток в nuj^H
можно определить, зная коэффициент рассеяния обмотки возбуи
создающий в машине поток при холостом ходе

В машинах постоянного тока обычно ст = 1,1ч-1,25. Меньшие
ния ст относятся к машинам без дополнительных полюсов, больши
многополюсным машинам.

Тогда индукция в сердечниках главных полюсов

В. =-^_	II

т т ст

i
где 1т, Ьт — высота и ширина полюса (рис. 5.25).

Если полюс имеет рад инь О
и аксиальные каналы, это учч| >*•
ется коэффициентом заполнении 

По Вт для соответственна
сорта стали находят МДС полип«

F=Hl. ('ll
т т т

Поток в ярмах статора и
делится на две части (см. рш ' И

Рис. 5.25. К расчету полюсов и ярма
 иукция в ярме статора

„ оФя

Bs =---5-

2/Л

(5-32)

Ь /,. Aj — длина и высота станины (рис. 5.25).

Коэффициент заполнения к„ = 1, так как станина обычно литая. Ин-
нин в ярме якоря

„ Фй

В =----5-

° 21hk.

(5-33)

► ha — длина и высота ярма якоря (расстояние от дна паза до отвер-

< под вал). Наличие для охлаждения аксиальных и радиальных кана-
Ь j читывается коэффициентом заполнения к„ и введением в (5.33) рас-
knoii длины якоря, учитывающей воздушные промежутки.

Далее по Bs и Ва для соответствующих сортов стали находят Н, и Нт
hi см МДС:

(5.34)

f=h„l.

(5-35)

► / „ La — соответственно длина средних силовых линий в ярме статора
। пи»ра (см. рис. 5.23).

Ьпяваясь несколькими значениями индукции в воздушном зазоре,
«ипдим расчет магнитной системы и строим кривую намагничивания
«м;п нитную характеристику (рис. 5.26). Как и в других электрических

нишах, в машинах постоянного тока характеристика намагничивания

► । две линейные зоны — в начальной части характеристики при не-
XI.IIIIIX токах возбуждения и МДС и при больших насыщениях соответ-
чик' при больших токах возбуждения и МДС.

обычно рабочая точка выбирается на
« «<>с характеристики. При этих условиях в
► nue постоянного тока получаются луч-
•чергетические характеристики при
in их удельных расходах активных мате-
k'luii

| щпень насыщения магнитной системы
мины характеризуется коэффициентом
Ьцтепия

Рис. 5.26. Характеристика
намагничивания машины
постоянного тока

(5.36)
Коэффициент насыщения кц можно определить по характера
намагничивания (рис. 5.26)

L АС , ВС
к =--= 1 +-.

g АВ АВ

(' ।

Обычно = 1,2-s-l,5. В специальных машинах постоянного то» | •
гда первостепенное значение имеют массогабаритные показатели, мМ
фициент насыщения может быть 1,7-5-2,0.

При проектировании машин постоянного тока сечения участке ш «•
нитопроводов выбираются так, чтобы в зубцах якоря в наименьшем
нии индукция лежала в пределах 1,8-?2,5, в сердечнике якоря !,()• Г
полюсах 1,2-5-1,6, а в ярме станины 1,1-5-1,3 Тл. Индукция в вощу »
зазоре 0,5-5-! Тл.

Определив , найдем ток возбуждения и число витков ®(>м<
возбуждения

где 7В — ток возбуждения; wB — число витков обмотки возбуждешч *
один полюс.

Выбор тока возбуждения и числа витков обмотки возбуждении ••
сит от системы возбуждения и напряжения в контуре обмотки возбужл им

5.6. Поле машины постоянного тока при нагру м

При нагрузке в якоре машины протекает ток и результирующл»
в воздушном зазоре искажается в результате наложения поля •
поле возбуждения (рис. 5.27, а—в). Магнитный поток и его npoi ц »
венное распределение при нагрузке определяются МДС обмоток
дения и якоря.

Влияние МДС якоря на поле машины называется реакцией якоря • - •
щетки установлены на геометрической нейтрали, реакция якоря
ная — ось поля якоря совпадает с поперечной осью машины (рис. 5.27,

Поперечная реакция якоря искажает поле, которое было при tfg
стом ходе. При этом смещается на угол 0 физическая нейтраль - 
перпендикулярная силовым линиям поля или соединяющая точки но <•
ре машины, где Bs = 0 (рис. 5.27, в). При холостом ходе физически» 
траль совпадает с геометрической. В генераторном режиме фшнч- I
нейтраль смещается по направлению вращения якоря. В режиме р>"
двигателем ток в якоре меняет свое направление на обратное и <|ш -
ская нейтраль смещается в сторону, противоположную вращению »• I
к 5.27. Картины поля при холостом ходе (а), отсутствии тока в обмотке воз-
• пения (б) и при наложении полей возбуждения и якоря (в)

|гиераторном режиме под набегающим краем полюса поле ослабляет-
। и под сбегающим — усиливается. В режиме двигателя — обратная
biiuia: под набегающим краем полюса поле усиливается, под сбегаю-
м — ослабляется.

Из-за насыщения ослабление поля проявляется сильнее, чем усиле-
, поэтому поперечная реакция якоря не только искажает поле, но и
и.шает результирующий поток при нагрузке по сравнению с потоком
м холостом ходе.

Чтобы определить уменьшение поля при нагрузке за счет влияния
<! речной реакции якоря, рассмотрим поле реакции якоря в зоне между
«иными полюсами. Индукция в зазоре при холостом ходе распределена
H'lnciio кривой 7 (рис. 5.28). Магнитодвижущая сила обмотки якоря в
• рс имеет треугольное распределение 2 и проходит через нуль посере-
Мг главных полюсов. Из-за большого различия воздушных зазоров по
~|/|<) тьной и поперечной осям машины кривая индукции поля 3 якоря

। Un ется от МДС обмотки якоря.

Па рис. 5.29 показаны кривые ин-
и(пи в зазоре от тока обмотки возбуж-
мпн 1 и тока обмотки якоря 2 при Ha-
ji me. Кривая индукции в зазоре при
н|>\1ке является результатом сложения
«пых 7 и 2. В ненасыщенной машине
ш.шение поля под одним краем полю-
»шмпенсируется увеличением поля под
Мим (кривая 3). Но в насыщенной ма-
нт- при сложении полей увеличение
и» происходит на меньшее значение,

Рис. 5.28. Поле реакции якоря

м гю уменьшение при вычитании по-
Рис. 5.29. Реакция якоря искажает
поле машины, а в насыщенной маши-
не — уменьшает поле

лей (кривая 4). Таким образом,
перечная реакция якоря умспын
результирующий поток на размер
штрихованной площади на рис. 5..,(
Размагничивающее действие
перечной реакции якоря влил»!
характеристики машины и это »
ходимо учитывать при проектор!
нии и анализе работы машин шн
янного тока.

Количественный учет рпц
ничивающего действия поперс >

реакции якоря осуществляется графоаналитическим путем. Для ощ»
ления продольной составляющей поперечной реакции якоря Fqa пос 1 Ju
частичную или, как ее иногда называют, переходную характер»! i
В&= f(Fs+F.+Fa), т.е. зависимость индукции в воздушном зазор!
МДС воздушного зазора и зубцов на один полюс (рис. 5.30). Поток ш
речной реакции якоря в воздушном зазоре и зубцах совпадает или
правлен встречно с потоком возбуждения и оказывает значится!
влияние на результирующее поле, а в полюсах и ярме якоря имеет м.
продольно-поперечное намагничивание, когда влияние потока рои
якоря ослаблено. Следует иметь в виду, что Fs + F. + Fa при расчете (
нитной цепи машины составляет 70^-80% и эти составляющие

дует учитывать в первую очередь при расчетах.

Найдя по В8нон на переходной характеристике рабочую точку /I,
ложим от нее по прямой в обе стороны отрезки 0,5й&Л, где А — лип '
нагрузка, т.е. ток на единицу длины окружности якоря:

А = -^

2anD

(5.39)

Здесь bs — полюсное перекрытие (по-
люсная дуга).

Таким образом, ЬцА характеризует
МДС поперечной реакции якоря. При
этом считают, что токи якоря, протекаю-
щие в витках, расположенных между
главными полюсами, не создают поток
поперечной реакции якоря, так как в этой
зоне имеется большой воздушный зазор.

Треугольник BCD характеризует
размагничивающее действие, а
508

0,5М

^ЙНОМ

О,5Л,Я

'В

Fj I ,

Рис. 5.30. К количественном»
ределению размагничиваю
действия реакции якоря
Рис. 5.31. К определению продоль-
ной составляющей поперечной ре-
акции якоря Fqd

(-•угольник DEG — подмагничиваю-
|гс действие поперечной реакции
цнря. Площадь треугольника BCD
чипе площади треугольника DEG.
юбы найти продольную составляю-
щую поперечной реакции якоря Fqd,
бактеризующую размагничивающее

►<1сгвие поперечной реакции якоря,
мигают вправо треугольники BCD и
•l' (l до тех пор, пока площади новых
^•угольников B'C'D и DE'G' (рис.
»11) не станут равными. В этом слу-
нг площади прямоугольника ACGF,
бактеризующего поток при холо-

<>м ходе, и фигуры A'B'DE’F', характеризующей поток при нагрузке,
ti цут одинаковыми. Магнитодвижущая сила Fqd зависит от насыщения и

в якоре. Аналитическое определение Fqd громоздко и дает не мень-
ше погрешности по сравнению с графоаналитическим способом, кото-
>41 применяется при практических расчетах.

Чтобы скомпенсировать влияние поперечной реакции якоря, надо к
ДС бмотки возбуждения, рассчитанной при холостом ходе по (5.19),
мОлвить Fqd и тогда МДС обмотки возбуждения будет равна:

(5-4°)

Поперечная реакция якоря зависит от воздушного зазора. Чем боль-
шзор, тем меньше Fqd, так как при большем зазоре стальные участки
| вид переходной характеристики влияют слабее. Площади треугольни-
»it BCD и DEG близки друг к другу при переходной характеристике,
и 1кой к линейной (см. рис. 5.30). Поэтому для уменьшения Fqd лучше
бирать большой воздушный зазор, однако при большом зазоре увели-
Ф11стся ^F, а следовательно, и объем, и масса меди катушки возбуж-
• иня. Оптимальный воздушный зазор в машинах постоянного тока в
• 10 раз больше зазора, который необходим из механических условий.

Для компенсации поперечной реакции якоря можно использовать
№ иедовательную обмотку возбуждения с МДС, примерно равной Fqd.
«кия обмотка, применяемая в двигателях постоянного тока, называется
1йШ1лизирующей обмоткой.

При больших линейных нагрузках под частью полюса, где потоки
Н1буждения и реакции якоря направлены навстречу друг другу может
биюйти не только значительное изменение индукции, но и измене-
>• направления поля — так называемое опрокидывание поля. На рис.
Рис. 5.32. Опрокидывание поля в
воздушном зазоре

5.32 показано это состояние машин i I
штрихованная площадь треугольники Mi
характеризует опрокидывание поля.

При опрокидывании поля в и i «
торном режиме происходит резко,
ние напряжения, так как в части пшмв
параллельной ветви машины ЭДС и
разные знаки и вычитаются. В двигая I
ном режиме опрокидывание поля iM
дат к уменьшению электромашин» и
момента и останову двигателя. Как в
раторном, так и двигательном

Рис. 5.33. Компенсация поперечной pri
якоря

опрокидывание поля является аварийным режимом, так как может coup
даться нарушением коммутации и возникновением кругового огня на ко
торе — перекрытием электрической дугой коллектора и замыканием гц< 

Поперечную реакцию якоря можно скомпенсировать, применив
пенсационную обмотку (см. рис. 5.12). Компенсационная обмотю ,

ложена в пазах наконечников главных полюсов (рис. 5.33). Поле и
речной реакции якоря неподвижно относительно полюсов. Поэтом v
полагая в пазах на статоре обмотку, МДС которой направлена ветре»
МДС обмотки якоря, можно скомпенсировать поле реакции якоря.

Для компенсации поля поперечной реакции якоря в переходи

установившихся режимах компенсационная обмотка включается iki
довательно с обмоткой якоря и МДС компенсационной обмотки i

мерно равна МДС попе-
речной реакции якоря, т.е.
объемы меди компенса-
ционной обмотки и об-
мотки якоря примерно
одинаковы.

При проектировании
в машинах постоянного
тока до мощности 30^-60
кВт поперечная реакция
якоря компенсируется ста-
билизирующей обмоткой,
а в машинах мощностью
выше 5060 кВт и в ма-
шинах с тяжелыми усло-
виями коммутации выпол-
няется компенсационная
обмотка.
При сдвиге щеток с геометрической ней-
цли в машинах постоянного тока появляется
одольная реакция якоря. Если подключить
яки к источнику постоянного напряжения и
юорачивать их относительно геометрической
Играли, МДС обмотки якоря будет склады-
п.ся или вычитаться с МДС обмотки возбу-
1ГПИЯ (рис. 5.34).

При повороте щеток генератора в направ-

Рис. 5.34. К вопросу воз-
никновения реакции якоря
при сдвиге щеток с гео-
метрической нейтрали

нии вращения и щеток двигателя против
правления вращения возникает размагничи-
инцая продольная реакция якоря. При сдвиге
чок в обратном направлении возникает
дмагничивающая продольная реакция якоря.

«нм образом, в зависимости от направления сдвига щеток МДС про-
плюй реакции якоря складывается с МДС обмотки возбуждения или
|'нггается из нее.

Смещать щетки с геометрической нейтрали можно на одну-две кол-
|орные пластины. При больших сдвигах ухудшается коммутация. При
а условиях продольную реакцию якоря можно определить из выражения

Fd = с А,

(5.41)

<•« 0,4(т-Ь8).

11струдно видеть, что т - Ь&—расстояние между главными полюсами.

Результирующая реакция якоря

Л>.« =F4d±Fd-

(5.42)

(>бычно щетки устанавливаются так, чтобы продольная реакция яко-
। кпадывалась с МДС обмотки возбуждения. Сдвиг щеток в другую
ijioiiy приводит к ухудшению коммутации.

5.7. Коммутация

11роцесс изменения направления тока в секциях при переходе их из
null параллельной ветви обмотки в другую называется коммутацией,
«•мутационными процессами называются и процессы под щеткой,
^мутационные процессы определяют надежность работы машин по-
Miiiioro тока, их габариты и возможность применения в тех или иных
>»||>оприводах.

Коммутация в машинах постоянного тока осуществляется коллекто-
»• механическим преобразователем частоты (см. рис. 5.3). Коллектор
I " 1 I  £._l

Рис. 5.35. Изменение тока в комму-
тируемой секции

или коммутатор может иметь и др i»«
конструктивные исполнения. Ниц*
мер, коммутаторы выполняю н в |
базе полупроводниковых элемент»
транзисторов или тиристоров, из»»*»
ны коммутаторы, выполненные ЯМ
магнитоуправляемых контактов
герконов. Однако механический iij. I
разователь частоты остается одним *
наилучших по своим массо-габарит**

энергетическим и другим показан- ihh

При коммутации ток в секции изменяет свое направление от II, •
-ia, где ia — ток в параллельной ветви обмотки якоря (рис. 5.35). 11ри ••
реходе секции из-под одного полюса под другой за время Тк — I» рМ
коммутации происходит быстрое изменение тока. Период комму
зависит от частоты вращения и числа коллекторных пластин. Обы'ни I
составляет тысячные доли секунды. Секция, которая замыкается щг i •«
называется коммутируемой секцией. Период коммутации Тк можно онр
делить как время перемещения коллектора на ширину щетки:

где Ьш — ширина щетки; vK—окружная скорость коллектора:
vK =	~ ЬкКп ;

здесь DK — диаметр коллектора; Ьк — ширина коллекторной пластаны, Д
число коллекторных пластин.

Тогда

Т -- bm •
“ ЬкКп Кп'

здесь Рк = — — щеточное перекрытие для машин общепромышнийв»

исполнения = 2+4, а для машин со сложными обмотками Ьк = 6<7

При Ьк = 2,5, п = 1500 об/мин = 25 об/с и К = 100 в машине с н|н- I
петлевой обмоткой Тк = 0,001 с. Таким образом, частота периодич-> в»

коммутационных процессов fK = — лежит в пределах 1000+30001 н

На рис 5.36 показан процесс перехода секции простой петлгн»Й 4
мотки из одной параллельной ветви в другую. Ток нагрузки раси • ••
по двум параллельным ветвям. При движении щеток относительно 4
Рис. 5.36. Процесс перехода секции
из одной параллельной ветви обмотки
в другую

«ним! замыкается одна или две сек-
ши Для упрощения рассмотрим
.иммутационные процессы, когда
•прпна щетки равна коллекторному
нпппо. Ток коммутации i замыка-
r>i в коммутируемой секции, на-
 • таясь на токи ia в параллель-

tn * ветвях машины. При этом

'1 ='и+'; i2=ia~i- (5-46)

)»> 6 и i2 — токи, протекающие в
 К1ЧНОМ контакте под набегающим

..... ающим краями щетки и в соответствующих коллекторных пластинах.

( бегающий край щетки — тот край, который сходит с коллекторной
। пшы. Если на рис. 5.36 представить, что щетки двигаются, а обмотка
►подвижна, сбегающий край будет справа, где сопротивление щеточного
• чнпкта г2, а набегающий край щетки — слева, где сопротивление г(.
pit неподвижной щетке обмотка якоря вращается в сторону, указанную
П-спкой. Сопротивление короткозамкнутого контура определяется со-
пи пилением переходного контакта между щеткой и коллектором, а ак-
*,.«1.1 ми сопротивлениями секции, коллекторной пластины и щетки
**но пренебречь.

Тогда для короткозамкнутого контура можно записать следующее
н и пение Кирхгофа:

=Хе’	(5-47)

► — сопротивление короткозамкнутого контура; — сумма ЭДС,
родимых в коммутируемой секции.

11одставляя в (5.47) значения токов из (5.46), получаем (пренебрегая гк):

(‘а + »>| - (‘а - >)Г2 = Xе ’	(5-48)

»erl+»rI-/ar2+ir2=^e;

* 1„ переходный ток; i„ — добавочный ток.

I ели = 0, то = 0 и
Классическая теория коммутации предполагает, что сопранном*
щеточного контакта равномерно по всей длине щетки и и и гг пр«и
циональны площади щеток S| и S2 под набегающим и сбегающим н,нм
щетки. При этом предполагается, что токи под щеткой it и /2 распри*» 4
ны равномерно и пропорциональны площадям .S'j и S2.

При этих условиях, если считать за начало коммутации время / и I
за конец коммутации время / = Тк, площади щетки, контактирукиин
соседними коллекторными пластинами, будут равны:

S,=^-S; S2=yS,	dll

* к

где S — контактная площадь щетки, S = Si + S2.

Исходя из классической теории коммутации

Г}+Г2=Гщ’

где гщ — общее сопротивление щеточного контакта.

Тогда

S т*
г = г — ~ г —-—'
1 “Sj

s'	тк

г2=гщ — = г—.

4J 2	®

При этом переходный ток с учетом (5.53)

1 +---------

При принятых выше допущениях ток i — линейная функции 

Рис. 5.37. Прямолинейная ком-
мутация

мени (рис. 5.37). Это и есть прим. I
нейная коммутация. Когда
имеет место криволинейная комми»
ция, кривые 2 и 3 на рис. 53К Я
сравнения на рис. 5.38 показана ирн.
7 — прямолинейная коммутации |1<
прямолинейной коммутации юн И
щеткой распределяется равномгрни I
при криволинейной коммутации
равномерно.
В коммутируемой секции ЭДС могут
►родиться за счет изменения токов в самой
ищи eL и соседних секциях ем, а также за
н । вращения секции во внешнем магнит-
» м иоле ев:

^e = eL+eM+eB- (5 55)

Сумма ЭДС самоиндукции и взаимной
инукции называется реактивной ЭДС

ср=ст + ем- (5-56)

)лектродвижущая сила eL наводится за
11 изменения тока в самой секции

Рис. 5.38. Криволинейная
коммутация

(5-57)

/ „ — индуктивность секции.

Среднее значение тока

_ 2>°

V dt /ср Тк

<	’реднее значение ЭДС eL

(5.58)

(5.59)

)лектро движущая сила взаимной индукции

"	di

1	«'

М„ — взаимная индуктивность между одновременно коммутируемы-
Н < сепиями; i„ — ток в и-й коммутируемой секции.

<	реднее значение ЭДС взаимной индукции

(5.61)

1 к

Реактивная ЭДС стремится замедлить изменение тока в коммутируе-
... секции.

11 юне коммутации, где происходит изменение тока в секции, может
ми. внешнее магнитное поле. Причиной появления поля может быть
t поперечной реакции якоря или поле добавочных полюсов, которые
►пыльно устанавливаются в машине для улучшения коммутации.

•лектродвижущая сила внешнего поля определяется по формуле,
• ин Ниной (5.2):
eB = 2BKwcl6va,	(• н

где Вк — индукция в зоне коммутации.

В переходных процессах при изменении потока главных полю» < г •
коммутируемой секции наводится трансформаторная ЭДС

Реактивная ЭДС и ЭДС вращения могут складываться или вычини
ся, при этом ер может быть больше или меньше ев. Это влияет на хари»н
коммутации машины.

Если ер-ел = 0, т.е. ЭДС вращения компенсирует ер, коммуг*ш§
прямолинейная (прямая 1, рис. 5.38). Если ер > ев, коммутация замен »
ная (кривая 2, рис. 5.38). Если ев > ер, коммутация ускоренная (кршмя 1
рис. 5.38).

При замедленной коммутации ЭДС вращения не компенсирует <'р Ц •
> ев). Наихудший случай, когда ЭДС вращения и реактивная ЭДС 4МВ
дываются. Это имеет место, когда щетки установлены на геометрии' < м|
нейтрали, добавочных полюсов нет, а ноток поперечной реакции «мф
наводит ЭДС одного знака с реактивной ЭДС.

При замедленной коммутации ток в коммутируемой секции нс
уменьшиться до нуля, а щетка уже сошла с коллекторной пластины, i • •
тур, где замыкается ток коммутации, разрывается, и на сбегающем  | и
щетки возникает искрение. При замедленной коммутации перетружafl11
сбегающий край щетки.

При ускоренной коммутации (ев > ер) перегружен током набеган имв
край щетки. При большой перекомпенсации может искрить набегаюмМ
край щетки. Ускоренная коммутация может быть практически толь»«ц
машинах, имеющих добавочные полюсы.

Выше достаточно упрощенно были рассмотрены основы нчцч»
коммутации. Примерно в таком виде классическая теория комму 11 ин»
была разработана в трудах Е. Арнольда, Л. Дрейфуса, К. И. Шенф»р« »
других ученых еще в начале XIX в.

Для развития теории коммутации и практического исполышмив
много сделали советские ученые В. С. Кулебакин, М. П. Косиям
В. Т. Касьянов, М. Ф. Карасев, О. Б. Брон, О. Г. Вегнер и др. [16].

В последние годы теорир коммутации развивалась, уточнялась, <40
давались программы для расчета коммутации на ЭВМ, но в методик мв
отношении классическая теория коммутации остается лучшей для ши<я
мания процессов коммутации.
5.8. Способы улучшения коммутации

Классическая теория коммутации предполагает равномерное распре-
глсние сопротивления щеточного контакта по всей длине щетки. Но ис-
ин дования процессов коммутации дали противоположную картину —
|<»ки под щеткой распределяются резко неравномерно. Из-за неравномер-
И1ити механического контакта соприкосновение щетки с коллекторной
ц||||стиной происходит в отдельных точках. Плотность тока и температура
I >тих точках значительны. В этих точках создается ионная проводи-
мость, что и обеспечивает благоприятные условия для контакта щетки с
ишлектором.

Количество и местоположение точечных контактов непрерывно из-
меняются, так как щетка перекрывает коллекторную пластину в тысячные
liniu секунды, и состояние контакта за это время изменяется. В этих ус-
шииях возникновение контактов по всей длине щетки равновероятно и
принятое в классической теории равномерное распределение тока под
ШС1КОЙ остается справедливым, если считать, что контакт между щеткой
* коллектором осуществляется за счет ионной проводимости.

На коммутацию в первую очередь влияет состояние поверхности
килектора и щеток, и правильный выбор материала коллекторных пла-
нид и щеток. Коллекторные пластины выполняются из меди, а в маши-
мх, работающих при тяжелых условиях коммутации, из меди с присад-
юй кадмия. Щетки изготовляются путем прессования из угольных и ipa-
фптных порошков. Щетки делятся на четыре группы: угольно-графитные,
Цшфитные, электрографитные и металлографитные. Наибольшее приме-
ните находят электрографитные щетки марок ЭГ4, ЭГ8, ЭГ14, ЭГ61,
•1 74, которые допускают плотность тока под щеткой до 150 А/см2 и ли-
tn иную скорость 60 м/с. Эти щетки применяют для двигателей и генера-
|<||>ов со средними и затрудненными условиями коммутации.

При правильном выборе марки щеток и правильной эксплуатации
Мишины постоянного тока в результате электролиза на коллекторе обра-
ОС1СЯ политура, состоящая из пленки окислов меди. Наличие политуры
и । коллекторе является свидетельством хорошей коммутации машины.

На коммутацию значительное влияние оказывают механические
причины — биение коллектора, плохая обработка, выступание слюды,
»«()|>ации щеток и щеткодержателей. Механические причины особенно
rtiiihiio влияют на коммутацию быстроходных машин.

Условия эксплуатации машины постоянного тока — загрязнение
•инлектора, влажность, атмосферное давление, наличие в окружающем
ми\ухе химических веществ—также значительно влияют на коммутацию.

Коммутация ухудшается при уменьшении атмосферного давления.
Иц самолетах применяются специальные высотные щетки. При работе
щеток в керосине в погружных Мни*
нах постоянного тока обеспечиип*»^
удовлетворительная коммутация. (»><.•
ко коммутация в других жидкостях и I»
зах требует тщательных исследовании

Одной из причин плохой комм»»
ции — появления искрения на кол>н>
торе — является потенциальное пщ*
ние, которое связано с возникноь. -и
больших напряжений между колиф

Рис. 5.39. Потенциальная дна- торными пластинами.

грамма коллектора	При расчете машин постояшиф

тока число коллекторных пластин ..»<

бирают из условия, чтобы среднее напряжение между коллек.орицф
пластинами не превышало 15<-20 В.

При холостом ходе напряжение между пластинами коллектора лЯ •

деляется выражением

= 2B6u»c/6vo.

(VJ

При нагрузке поперечная реакция якоря искажает поле в воздушнф
зазоре (см. рис. 5.29) и напряжение на коллекторе распределяется н> । •
номерно (рис. 5.39). Потенциальные характеристики на коллекторе < »
маются с помощью вольтметра, когда один измерительный конец пи
метра присоединен к щетке, а второй — скользит по коллектору. Iln , I
5.39 штриховая кривая показывает распределение напряжения при
стом ходе, а сплошная — при нагрузке При этом AZ7' > AZ7.

Из-за больших значений grad U может быть пробой изоляциотип
промежутков между отдельными пластинами, что, в свою очередг м! • й
повлечь пробой других пластин и появление кругового огня на колл
ре, когда дуга возникнет между щетками. Круговой огонь обычш iij-ни»
дит к оплавлению коллектора и выходу из строя машины.

Распределение поля в воздушном зазоре влияет на коммуташ
рокидывание поля из-за реакции якоря может привести к расе гр i и |
коммутации.

Компенсационная обмотка компенсирует поле поперечной ргн« I
якоря, устраняет искажение поля в воздушном зазоре и сохраняет pin М|
деление напряжения на коллекторе таким же, что и при холостом ход}

Как было показано в § 5.7, ток в коммутируемой секции опрсдияш
ся (5.49). Если 1д = 0, коммутация прямолинейная, и в момент сходп ни•
ки с коллекторной пластины ток коммутации равен нулю. Чтобы ко*
тация была без искрения — удовлетворительная коммутация, надо
миться снизить добавочный ток:
<лс — сумма ЭДС в коммутируемой секции; — сумма сопро-
шцления контура коммутируемой секции.

Чтобы снизить /д, надо уменьшить либо увеличить . Улуч-
шение коммутации практически достигается путем правильного подбора
легок. Для улучшения коммутации желательно выбирать щетки с высо-
ti|M активным сопротивлением, ио увеличение сопротивления щеток при-
* дит к увеличению потерь и нагреву щеток, что может ухудшить комму-
)*Н11Ю. При расчете коммутации необходимо правильно удовлетворить
противоречивые требования.

При проектировании щетки подбирают согласно ГОСТ, в котором
Нонаны преимущественные применения той или иной марки щеток, пе-
|м кодное падение напряжения, плотность тока под щеткой, допустимая
трость и давление пружины на щетку. С учетом накопленного опыта
н плуатации щеток и правильного расчета машины можно обеспечить
пи>»летворительную коммутацию для большинства тяжелых условий
Применения машин постоянного тока.

Для увеличения сопротивления коммутируемого контура иногда
применяют слоеные щетки, разделенные на несколько слоев тонкими
прокладками (рис. 5.40). Включение резисторов или вентилей в коммути-
руемую секцию приводит к улучшению коммутации, но из-за усложнения
и и о говления машины и увеличения потерь они применяются редко.

Уменьшение У.е достигается несколькими путями. В основном это
оссиечивается снижением реактивной ЭДС ер и введением ЭДС, ком-
Ьпсирующей реактивную ЭДС. Реактивная ЭДС (5.56)—(5.59) снижает-

 ia счет правильного выбора числа витков в секции и конфигурации
in Для уменьшения ер надо стремиться к минимальному числу витков в
лицин и к большему раскрытию паза, по возможности применяя открытые
I H.I, так как при этом уменьшается индуктивность секции Lc. При правиль-
ном выборе геометрии паза в машинах с полузакрытым пазом можно снизить
к и нс применять добавочные полюсы.

При проектировании реактивная ЭДС рассчи-
<пп.1стся по формуле

S =	•10-6 »	(5-66)

к щ. — число витков в секции; /5 — длина якоря, м;
♦ линейная нагрузка, А/м; va — окружная ско-
fn । ь, м/с; 1п — удельная магнитная проводимость
iHiniioro рассеяния.
Для улучшения коммутации надо снижать линейную нагрузку >i m*
дуктивность коммутируемой секции.

Значение реактивной ЭДС является косвенной оценкой коммузацнм
машины. Максимальная реактивная ЭДС для машин небольшой mchiiii
сти допускается до 2,5+3 В. F крупных машинах с компенсационной и*
моткой максимальная реактивная ЭДС может достигать 12 В.

Чтобы снизить ер, можно увеличить Тк не за счет ширины щетки, • (В
счет увеличения числа щеток и смещения их на щеточных пальцах так,  I
они перекрывали такую же поверхность, что и щетки большей ширины.

Важное значение имеют ток в параллельной ветви машины, ко о|т>
для обеспечения удовлетворительной коммутации выбирается в предгц*
250+350 А, число коллекторных пластин и линейная скорость на коли >
торе, которая зависит от диаметра коллектора и частоты вращения.

Главным средством улучшения коммутации машин постоянного ш< 
является применение дополнительных или добавочных полюсов, которы
зоне коммутации создают внешнее поле, компенсирующее реактивную' >Д<

Добавочные полюсы устанавливаются в зоне коммутации мо и
главными полюсами. Обмотки добавочных полюсов соединяются пои*
довательно с обмоткой якоря, поэтому МДС обмоток добавочных in
сов следит за изменением тока в якоре в установившихся и перехочни
процессах.

Чтобы скомпенсировать ер, необходимо в зоне коммутации скомп
сировать поле реакции якоря и создать поле, при вращении в котором ♦
коммутируемой секции наведется ЭДС вращения, равная и протиичч
ложно направленная ер (тогда ев + ер = 0), или получить ев неск<>>и»
большую ер. При этих условиях в машине будет прямолинейная или yt |
ренлзя коммутация.

- Электродвижущая сила вращения определяется из (5.62): Вк~ I, I
гда ев ~ Iava. Индукция под добавочными полюсами меньше, чем 1>я|
главными, и равна 0,5+0,25 Тл. Благодаря тому что Вк небольшая, мЦ*
нитная цепь добавочных полюсов не насыщена, что обеспечивает пни*
ную зависимость между ев и током нагрузки. Следует иметь в виду чI
ер линейно зависит от тока нагрузки. Поэтому обеспечивается комигм I
ция ер во всех режимах работы машины постоянного тока.

Добавочные полюсы должны иметь определенный порядок сл <•
ния по отношению к главным полюсам. На рис. 5.41 показано рас.ни
жение главных и добавочных полюсов в генераторном Г и двигаг jii.ii
/(режимах.

Все машины постоянного тока мощностью выше 1 кВт для обеспсч I 
удовлетворительной коммутации выпускаются с добавочными полюсами

В машинах небольшой мощности скомпенсировать реактивну* Ч|
можно путем смещения щеток с геометрической нейтрали. Попер+.+и
520
Гиг. 5.41. Расположение добавочных ГН — геометрическая нейтраль; ФН —
•ипосов	физическая нейтраль

1« .1кция якоря искажает поле в машине (рис. 5.42), и в зоне коммутации
м геометрической нейтрали появляется поле. Если щетки оставить на
неметрической нейтрали, то ЭДС вращения, наводимая от этого поля,
щт совпадать с ер и в машине будет замедленная коммутация с небла-
нщриятными условиями, когда в коммутируемой секции реактивная ЭДС

)ДС вращения складываются.

Для того чтобы ер и ев вычитались, надо щетки сдвинуть за физиче-
гую нейтраль, где поле меняет свой знак. В генераторном режиме щетки
ч щаются на одну-две коллекторные пластины по направлению враще-
нии, а в двигательном режиме — против направления вращения. Этот
масоб улучшения коммутации имеет недостаток, связанный с тем, что ер
•мпенсируется в одном режиме. Автоматической настройки при изме-
нил нагрузки, которая есть в машинах с добавочными полюсами, при
ииге щеток с нейтрали нет.

Рассмотренные основные способы улучшения коммутации не исчер-
mi и. нот возможностей влияния на сложные бысгропротекающие процес-
гм коммутации.

11о ГОСТ коммутация по степени искрения делится на пять классов:
отсутствие искрения (темная коммутация); 1'/4 — слабое точечное
I прение под небольшой частью щетки; 1 ’/г — слабое искрение под
Вни.шей частью щетки; 2 — искрение под всем краем щетки; 3 — значи-
nuioe искрение под всем краем щетки с крупными и вылетающими ис-
’ ш. Степень искрения определяется визуально.

1 гепень искрения 3 приводит к значительному почернению коллек-
>рп, не устраняемому протиранием поверхности коллектора бензином.

I ЕОе искрение приводит к подгару и разрушению щеток. Работа машины
и спени искрения 3 недопустима.
Степень искрения 2
пускается только при кртм>
временных режимах pa6oiM н
при перегрузках. При я»км
искрении появляются сл<-км
почернения на коллекторе, *
устраняемые протирания»»
бензином.

Рис. 5.43. Настройка коммутации по схеме При степени искрения
подпитки добавочных полюсов	1*/2 появляются следы почер

нения на коллекторе, кото|чм
легко устраняются путем протирания поверхности коллектора бензином

При степени искрения 1 и 1’/4 длительная работа машины не прим»
дит к почернению коллектора и появлению нагара на щетках. При 
стройке коммутации при длительном режиме работы машины необходи
мо обеспечить эти две степени искрения.

Обеспечить удовлетворительную коммутацию в процессе проект
рования машины не всегда удается, поэтому после изготовления опытны»
образцов проводится экспериментальная настройка коммутации. Осип»
ной метод настройки коммутации — метод подпитки добавочных полю
сов и снятия потенциальных кривых под щетками.

Подпитка добавочных полюсов осуществляется по схеме рис. < -И
На рисунке Я1 — якорь машины, в которой осуществляется настроим
коммутации, ДП — добавочные полюсы, Я2 — якорь вспомогателышг»
генератора, обеспечивающего подпитку добавочных полюсов, OBI
обмотка возбуждения исследуемой машины, ОВ2 — обмотка возбу» >•

ния вспомогательного генератора.

При подпитке через обмотку добавочных полюсов проходит до|»ы
нитёльный ток подпитки А/, который вычитается или складывается с Ш

ком якоря /я. Изменяя ток подпитки Д7,
добиваются при разных нагрузках степе-
ни искрения 1 или 1 '/4.

Кривые, характеризующие степень
подпитки, позволяют установить необ-
ходимую степень усиления или ослабле-
ния действия добавочных полюсов. Дей-
ствие добавочных полюсов можно регу-
лировать путем изменения числа витков
или воздушного зазора, размеры которо-
го можно изменять при помощи ферро-
магнитных прокладок, вставляемых ме-
жду станиной и добавочным полюсом.

Рис. 5.44. Снятие потенциям»
ных кривых под щеткой
Последний способ применяется
чище, так как обычно число вит-
юк добавочных полюсов не-
большое и изменение их числа

Рис. 5.45. Включение фильтров на выходе
машины для устранения радиопомех

цист резкое изменение МДС об-
мотки добавочных полюсов.

Кривые, характеризующие

цепень подпитки, снимаются после устранения механических причин
искрения, при хорошей приработке щеток в течение нескольких часов
риботы под нагрузкой.

При снятии потенциальных кривых под щеткой измеряется падение
напряжения ДС7Щ между щеткой и коллектором (рис. 5.44). При этом один
конец вольтметра передвигается по коллектору работающей при нагрузке
машины.

Вид потенциальных кривых позволяет судить о характере ком-
мутации при движении коллектора в направлении, указанном стрелкой на
шс. 5.44. Кривая 1 свидетельствует о прямолинейной коммутации, кривая
— замедленной (перегружен сбегающий край щетки), кривая 3 — ускорен-
ий коммутации (перегружен набегающий край щетки). Определив ха-

рактер коммутации по потенциальным кривым щеток, можно провести
«астройку коммутации, меняя МДС дополнительных полюсов.

При настройке коммутации следует стремиться к несколько ускорен-
ий коммутации, так как при вращении коллектора возникают механиче-
ские усилия, приподнимающие сбегающий край щетки и прижимающие
убегающий. Поэтому целесообразно немного разгрузить сбегающий
край щетки и уйти от прямолинейной коммутации.

Коммутация создает электромагнитные колебания высокой частоты
(I 3 кГц), в результате чего возникают радиопомехи. Для устранения
ришюпомех, особенно при плохой коммутации, в цепь якоря машины посто-
•iiioro тока включаются фильтры (рис. 5.45). При этом используются индук-
•иичости машины, а конденсаторы помещаются в коробке выводов.

Геометрия машины постоянного тока, надежность и области приме-
I ния во многом определяются коммутацией. Поэтому развитие теории
коммутации, совершенствование коллекторного узла имеет важное зна-
*ние для расширения области применения машин постоянного тока.

5.9. Генераторы постоянного тока

Генераторы постоянного тока преобразуют механическую энергию,
►шнодимую к валу машины, в электрическую энергию постоянного тока.
Рис. 5.46. Схемы возбуждения генераторов:

а — независимое; б — параллельное; в — последовательное; г — смешаиим

По способу возбуждения генераторы постоянного тока делятся пи ih*
раторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением

Генераторы независимого возбуждения могут возбуждаться (П м
стороннего источника постоянного тока или от постоянных Ma1 mi-в
Генераторы с постоянными магнитами относятся к магнитоэлею ри®
ским генераторам, а генераторы с возбуждением от источника noiьижр
го тока называются генераторами с электромагнитным возбуждением

Генераторы с самовозбуждением в зависимости от схемы ни» I
ния обмотки возбуждения делятся на генераторы параллельного (iny»>
вого), последовательного (сериесного) и смешанного (компауидна!*
возбуждения (рис. 5.46).

Обмотки независимого и параллельного возбуждения ОВ (ри
а и б) выполняются из тонких проводов и имеют большое число пп •
обмотка последовательного возбуждения ОВП на рис. 5.46, в имо( 
сколько витков, но в ней проходит ток якоря и она выполняется из шн
большого сечения. Для регулирования тока возбуждения в цепи об .
независимого и параллельного возбуждения включается регулиропоч.

резистор R (рис. 5.46, а, б, г). Мощность возбуждения в генерат ц.зч «
стоянного тока составляет 5ч-10% мощности машины. В генератора fl
раллелыюго возбуждения ток возбуждения равен 1ч-5 % /, ном.

На рис. 5.47 дана энергетическая диаграмма генератора посипим •
тока с независимым возбуждением. Механическая мощность, подш
к валу генератора, преобразуется в электрическую мощность Р2.।l|’»i •* “

Р^Р=Р2’

где сумма потерь ^Р:

УР = Р +Р 4-Р +Р ,

/ j мех ст э д’
есь Р„сх — механические потери;

, — потери в стали; Рэ — элек-
пческие потери в обмотке якоря;
। — добавочные потери.

Потери на возбуждение Р„ от-
1СЯТСЯ к источнику, питающему

Электромагнитная мощность

— мощность в воздушном зазоре:

Ри.=Р1-Р^~Р„~Ря- (5-69)

Механические потери в маши-

Рис. 5.47. Энергетическая диаграмма
генератора

к постоянного тока, как и в других электрических машинах, включают
пери на трение в подшипниках, потери трения якоря о воздух и венти>
щионные потери. Дополнительно в машинах постоянного тока есть по-,
ри трения на коллекторе. В зависимости от нажатия пружины шетко-.
ржателя на щетку эти потери могут составлять 25+35% всех механичех
их потерь.

Основные магнитные потери в машинах постоянного тока — в сталц
|оря. При вращении магнитопровода происходит перемагничивание стах
« и в зубцах, и ярме якоря, так же, как и в машинах переменного тока>
ть потери на вихревые токи и гистерезис. Потери в стали рассчитывах
|ся по тем же формулам, что и для машин переменного тока (1.135) ц
,69). Из-за наличия пазов и зубцов на якоре машины на поверхности
ипосных наконечников имеют место пульсационные потери, которые
шут составлять 5+10% основных магнитных потерь. При наличии пазов
। полюсных наконечниках, когда машина имеет компенсационную обх
i t ку, пульсационные потери есть и на поверхности якоря.

К добавочным потерям относятся потери в бандажах, которые крепят-
Смотку якоря и обмоткодержатели. К добавочным потерям относят такх
। потери, связанные с коммутацией и искажением поля при нагрузке,
лично добавочные потери принимают равными 0,5% отдаваемой мощх
чти генератора при наличии компенсационной обмотки и 1% — в мах
инах без компенсационной обмотки.

Электрические потери в машинах постоянного тока, как и в других
тктрических машинах, составляют примерно 50% всех потерь в маших
> К ним относятся электрические потери в обмотке якоря, компенсацих
ной обмотке, обмотке добавочных полюсов и последовательной обмотх
I, п также электрические потери под щеткой:



(5.70)

At/щ — переходное падение напряжения в щеточном контакте.
Падение напряжения А(7Щ зависит от марки щетки и приводим
ГОСТ на пару щеток при рекомендуемой плотности тока. Для угол*ищ 
графитных щеток AL/щ = 3 В, для металлоугольных щеток А(7Ш = 0,5 II

Потери в меди обмоток подсчитываются по (1.133). Потери в чОм |
ках можно определить, зная плотность тока / и массу обмотки (без и им*
ции) G:

£ \S J у у

’* |

Коэффициент полезного действия генераторов постоянного токи

ц = 1-

Рг^Р

и зависимость т) = f(P2) имеет такой же вид, как и у других машин (*I

рис. 1.90). Максимум КПД наступает при равенстве суммы FMCT I А'
электрическим потерям Рэ. Для генераторов независимого возбууи*
Рмех + Per можно считать постоянными потерями, а Рэ — переменными *
генератора постоянного тока мощностью 10 кВт т) = 83+87%, а мощи*
стью 1000 кВт т) = 92+96%.

Характеристики холостого хода генераторов постоянного тока а
систем возбуждения снимают при постоянной частоте вращения и и
висимом возбуждении, когда обмотка возбуждения подключается к •
точнику постоянного тока, позволяющему изменять ток от нуля до —
Характеристика холостого хода машины постоянного тока предез ли* 
на рис. 5.48. Характеристику холостого хода начинают снимать oi нги»
1. Когда /в равен нулю, на якоре есть остаточное напряжение Ео- •»» *
снимают восходящую иг щ

Рис. 5.48. Характеристики холостого хода

2, далее — нисходящую ь

2, 3 и снова уменьшаю । /, |
снимают ветвь 3, 4,5. II »nt«
4 ток возбуждения, так «» •••
и в точке 2, ревер! иг
Ветвь, показанная на pi* 1 Н
штриховой линией, н<пм*«Я
ся основной характер»»! и»*!*
холостого хода. Особшв
стью характеристики
стого хода машины .......

ного тока так же, как и »«•
хронной машины, яию».
наличие остаточной >Д< ।
'•“сительно широкой петли гис-
||>езиса.

Перед снятием характеристи-
н холостого хода необходимо
(«литься, что щетки стоят на
К>метрической нейтрали. Для
ого к выводам обмотки якоря,
и да якорь не вращается, под-
нимается вольтметр постоянно
iiui с нулем посредине шкалы, а
» в обмотке возбуждения вклю-

Рис. 5.49. Внешняя характеристика

н-тся и выключается. Бросок напряжения при щетках, установленных на
'метрической нейтрали, равен нулю или минимален. Обычно щетки на

«метрической нейтрали устанавливаются на заводе. На щеточной тра-
»1>< е и щите имеются риски, фиксирующие положение нейтрали.

Внешняя характеристика генератора U при п = const и 4 = const

•ixiuoiBaeT зависимость напряжения на выходе генератора от тока на-
итии. На рис. 5.49 дана внешняя характеристика генератора независи-
мо озбуждения. При /я = 0 (холостой ход) — на выводах генератора
1 К' холостого хода Е. С ростом нагрузки напряжение падает сначала по
»»исйному закону, в основном за счет падения напряжения на внутрен-
м сопротивлении машины, а затем в области нагрузок, близких к номи-
111-пой, по нелинейному закону — за счет большего размагничивающего
ыи ия поперечной реакции якоря.

При нагрузках, равных примерно половине номинальной, реакция
•>ч|»я влияет слабо на поле машины и внешняя характеристика линейна.
1>н больших нагрузках поперечная реакция якоря ослабляет поле маши-

। и напряжение изменяется как за счет реакции якоря, так и за счет па-
пин на внутреннем сопротивлении. На рис. 5.49 отрезок аб характери-

5.50. Внешние характеристики
I piiiopoB с независимым (?) и
м'«ильным возбуждением (2)

зует падение напряжения за счет внут-
реннего сопротивления (линейная за-
висимость от Д), а отрезок бв — за
счет реакции якоря (нелинейная зави-
симость от 4)- Падение напряжения
MJ определяет жесткость внешней
характеристики. Чем меньше At/, вы-
раженное в процентах от номинально-
го напряжения, тем выше жесткость
внешней характеристики.

Внешняя характеристика генерато-
ра параллельного (кривая 2 рис. 5.50)
возбуждения идет ниже внешней
Рис. 5.51. Внешние характеристики
генераторов при различных схемах
возбуждения:

1 — независимое; 2 — параллельное; 3 —
последовательное; 4 — смешанное при
согласном включении; 5 — при встречном

характеристики генератора с
висимым возбуждением (крина» Ц
так как напряжение на сом«м»
возбуждения генератора с нщ 
дельным возбуждением при !•.<.—
нагрузки падает и ток возбужянш
уменьшается. Внешние харччм»р»
стики снимаются при неизмгнь «
сопротивлении регулиропочип»»
резистора, включенного в цепь 
мотки возбуждения. Вид bii-iim*
характеристики генератора о *
раллельным возбуждением

2) при перегрузках отличлчч И
внешней характеристики гснг)и«а
ра с независимым возбуж/кчнш

(кривая 7). При перегрузках поле генератора с параллельным вочбу»^
нием опрокидывается и установившийся ток при коротком замы .
/куст определяется остаточным магнитным потоком. Несмотря на in -«
/куст может быть меньше /яиом, короткие замыкания генераторов рчМ
лельного возбуждения опасны из-за того, что переходный ток корчим»
замыкания /,тах значителен. При токах /ягаах, значительно превыша»
Д ном, может возникнуть круговой огонь на коллекторе.

На рис. 5.51 представлены внешние характеристики генераторов ю
стоянного тока при различных схемах возбуждения.

Внёшняя характеристика генератора последовательного возбуж ч«Ш
(кривая 3) имеет вначале линейный участок, а при токах, близких к
нальному, наступает насыщение, и рост напряжения замедляется. I  i «r*
торы последовательного возбуждения применяются редко. В геччцыЧ'Ш
смешанного возбуждения обмотки последовательного и параллспыив
возбуждения (см. рис. 5.46) могут быть включены согласно, мни* •
МДС совпадают, и встречно, когда МДС последовательной обмо|»н >
читается из МДС обмотки параллельного возбуждения. При сопим 
включении обмоток возбуждения напряжение растет с ростом iihiji
(кривая 4). При встречном включении обмоток внешняя характер!» ч и
мягкая (кривая 5).

Вид внешних характеристик при смешанном возбуждении чачшч  г
соотношения МДС последовательной и параллельной обмоток. 11рн м
гласном включении последовательная обмотка может быть рик'ичч^
так, что ее МДС при номинальной нагрузке скомпенсирует падчпи 
пряжения за счет реакции якоря и падение напряжения на nnyi]
сопротивлении машины (рис. 5.52) или создаст в воздушном ч>Н
Рис. 5.52. Внешняя характерис-
тика генератора смешанного
возбуждения при Е = Ц„м

Ifl.HOM 1я

wi< ж, который при нагрузке обеспечит
wci напряжения (кривая 4, рис. 5.51).
||<|бы получить внешнюю характеристику
М/ = 0 при /,.„Ом, необходимо несколько
Ыс пылить МДС по сравнению с МДС,
ри которой определена кривая 4 на рис.
,5 I. Получить жесткую внешнюю харак-
кристику без регулятора в цепи обмотки
|н(>уждения, чтобы АС/ = 0 на всем диа-
|м1оне изменения не удается, так как
^Ьдольная составляющая поперечной
[дикции якоря Fqd изменяется по нели-

чному закону, а МДС последовательной обмотки = I,wc — по ли-
»1ному закону.

Встречное включение обмоток параллельного и последовательного
к > «буждения применяется для получения специальных характеристик,
«к называемая экскаваторная характеристика обеспечивает ограничение
L иь якоря и, следовательно, и момента при перегрузках (рис. 5.53). Такая
вешняя характеристика необходима также в сварочных генераторах.

Регулировочные характеристики /в = при U= const и п = const
^называют, как надо изменять ток возбуждения при изменении нагрузки,
>»»ы напряжение оставалось постоянным. На рис. 5.54 даны регулиро-
Ь'чные характеристики для генераторов с различными системами возбу-
Ь |П1ия. Для генераторов последовательного возбуждения регулировоч-
Li характеристика не снимается.

Характеристики короткого замыкания /я = при U= 0 и и = const
имают при замкнутой накоротко обмотке якоря (рис. 5.55). Характеристика

5.53. Внешняя характеристика
wo пстречном включении последо-
<> 11ЫЮЙ обмотки возбуждения



Рис. 5.54. Регулировочные характеристи-
ки при различных схемах возбуждения:
1 — независимое; 2 — параллельное; 3 —
смешанное при согласном включении обмоток;
4 — смешанное при встречном включении
Рис. 5.55. Характеристика
короткого замыкания ге-
нератора

короткого замыкания линейная, так как мшпн
на не насыщена. Ток короткого замыкании
должен превышать (1,2-5-1,25) 7внои. При chni»»
характеристики короткого замыкания долин!
быть предусмотрены меры, обеспечивают»,
разрыв цепи якоря при увеличении тока они»
ше допустимых значений. Остаточное нам
определяет ток короткого замыкания при /,
= 0. Чтобы начальное значение тока короч кш
замыкания не было слишком большим, паЩ
снятием характеристики машину разма! нпчи
вают. Для этого обмотку возбуждения nn I 

большое время подключают к переменному напряжению. В маииит»

высоким уровнем электромагнитных нагрузок из-за значительного или-

ния токов в коммутируемых секциях снять эту характеристику не удаск •

Нагрузочная характеристика [7, =J(JB) при I„ = const и п = const (»|w
вая 2) и характеристика холостого хода (кривая 7), показанные ип рн
5.56, позволяют определить катеты прямоугольного треугольника и>
который называют реактивным треугольником. При снятии нагрузочное
характеристики при изменении тока возбуждения ток в якоре поддержиши п •
неизменным путем изменения нагрузочного сопротивления в цепи якоря,

В реактивном треугольнике катет Ьс — падение напряжения на iin< |
рением сопротивлении машины IBRBH, а катет ab характеризует пад< в
напряжения за счет размагничивающего действия продольной сона-
ляющей поперечной реакции якоря.

Основными характеристиками генераторов постоянного тока яни*
ются характеристики холостого хода, внешняя и регулировочная. Хпрн>
теристики короткого замыкания и нагрузочная — вспомогательные и 

рактеристики.

При сдвиге щеток с геометрической нейтрали продольная псп» шн
якоря в зависимости от направления

сдвига щеток создает поле по про-
дольной оси машины, которое дей-
ствует встречно или согласно с по-
лем, создаваемым параллельной
обмоткой возбуждения. За счет
сдвига щеток с геометрической ней-
трали машина возбуждается со сто-
роны якоря, и тогда последователь-
ная обмотка на статоре не нужна.
Однако смещение щеток с геомет-
рической нейтрали приводит к

5.56. Нагрузочная характер™ п<»•
ухудшению коммутации и
снижению использования ме-
•и якоря.

Как и машины перемен-
ною тока, генераторы посто-
iiiiioro тока могут работать
ппраллельно друг с другом,
ппычно на параллельную pa-
rity включаются два и редко
к колько генераторов посто-
Н1ПОГО тока. Так как к сетям
ос гоянного тока бесконечной

Рис. 5.57. Схема параллельной работы гене-
раторов независимого возбуждения

мощности можно отнести лишь транспортные сети, поэтому необходимо
•нализировать влияние генераторов друг на друга.

Для параллельной работы используются генераторы независимого,
параллельного и смешанного возбуждения. Как правило, на параллель-
ную работу включаются генераторы, близкие друг другу по мощности с
щой и той же системой возбуждения.

На рис. 5.57 показана схема параллельной работы генераторов неза-
мсимого возбуждения. При включении генераторов на параллельную
|1>0оту полярность напряжений должна быть одинаковой и 17, ® U2. Чем
ныне At/ -- Ut -U2, тем меньше бросок тока при включении генерато-
|м па общие шины.

При параллельной работе генераторов напряжения на генераторах и
•* шинах нагрузки одинаковы и равны U. Для двух генераторов, вклю-
хгпных на параллельную работу:

t/=	=£2-/2Z?Brt2,	(5-73)

। ic /?вн1 и Т?вн2 соответственно внутренние сопротивления первого и вто-
 о генераторов.

Электродвижущие силы первого и второго генераторов:

£, = се|Ф,«,;	(5.74)

Е2 = се2Ф2п2.	(5-75)

Чтобы изменить нагрузку на одном из генераторов, надо изменить Ег
in Е2. Как следует из (5.74) и (5.75), ЭДС можно изменять путем изме-
। шя потока и частоты вращения.

Частота вращения первого генератора увеличится, если увеличить
I мент М\, приложенный к первому генератору. При увеличении уве-
нчивается Ех и ток первого генератора /( растет. Чтобы изменить момент
* налу генератора, надо регулировать активную мощность, подводимую
Рис. 5.58. Распределение нагрузок в
генераторах при параллельной работе

При анализе параллельной ра(

к паровой турбине, дизелю и
другому двигателю, г.риьодя.1! iy 
движение генератор.

При изменении тока вою
дения изменяется поток и ЭДЙ
Поэтому при увеличении тока мн
буждения первого генератора ।
тет £i и ток нагрузки первого  и
ратора, при этом должен увелЦчн
ваться Mi, если 12 не уменьшав 
ты следует не забывать, что мд^

ность, отдаваемая в сеть постоянного тока, равна мощности прив, <
двигателей за вычетом потерь в генераторах. Поэтому при неизм  I

нагрузке на шинах постоянного тока увеличение нагрузки на перв"м ф
нераторе приводит к разгрузке второго генератора, и наоборот.

На параллельную работу могут включаться генераторы с различным
числом полюсов и частотой вращения, так как из (5.73) следует, что ИЦ
параллельной работе должны быть равными ЭДС.

При параллельной работе желательно иметь одинаковые внешне»
характеристики генераторов. При отличающихся друг от друга вниппм

характеристиках нагрузки распределяются неравномерно, так как и*
грузки 4 равен сумме токов в первом и втором генераторах (рис 5.'Ии
Перегружается генератор, имеющий более жесткую внешнюю харакц! I
стику. Чтобы выровнять в этом случае нагрузки, надо увеличить гоп I ч
буждения в первом генераторе. При включении на параллельную риПо-
генераторов различной мощности необходимо, чтобы внешние харч. I

ристики, построенные в относительных единицах, по возможности иг
ближаяись друг к другу’.

Параллельная работа генераторов параллельного возбуждения нич
не отличается от рассмотренной выше параллельной работы reHepuin, I
независимого возбуждения.

Генераторы смешанного возбуждения включаются на параллсл, м
работу по схеме рис. 5.59. Без уравнительного провода аб парад 1 м <

работа генераторов сме-
шанного возбуждения
невозможна, так как
при случайном увели-
чении тока в якоре пер-
вого генератора 1\ будет
увеличиваться поток в
этом генераторе из-за
увеличения тока в по-
532

Рис. 5.59. Параллельная работа генераторов *
шанного возбуждения с уравнительным прополлы Ч
(недовательной обмотке ОВПХ. Это приве-
дс| к дальнейшему увеличению тока в этом
генераторе и разгрузке, уменьшению тока
егорого генератора. После того, как из-за
перегрузки частота вращения первого ге-
нератора начнет падать и поток, и ЭДС на
первом генераторе Е\ станут меньше пото-
па и ЭДС второго генератора Е2, нагрузку
примет на себя второй генератор, и ток 12
шеличится. Возникнут качания в системе,
гл ключающие возможность параллельной
рнЬоты. Уравнительный провод, соединяю-
щий однополярные точки, выравнивает ЭДС

Рис. 5.60. Параллельная рабо-
та генераторов смешанного
возбуждения при перекрест-
ном включении обмоток воз-
буждения

пи генераторах, что обеспечивает устойчивую работу двух генераторов на

общие шины.

При параллельной работе генераторов смешанного возбуждения иногда
применяется схема с перекрестным соединением последовательных обмоток
побуждения (рис. 5.60). Такое включение обмоток последовательного возбу-
»гения обеспечивает устойчивую параллельную работу генераторов.

5.10.	Двигатели постоянного тока

Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию
пост оянного тока в механическую.

Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых
преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов перемен-
ною тока, производство двигателей постоянного тока в процентном от-
ношении к двигателям переменного тока не сокращается, и они находят
новые области применения.

Двигатели постоянного тока благодаря наличию механического пре-
разователя частоты — коллектора допускают плавное и экономичное
рпулирование частоты вращения. Это преимущество перед двигателями
переменного тока обеспечивает применение двигателей постоянного тока
I шектроприводах с широким диапазоном изменения частоты вращения.
Питатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных
< liiiioB, станков, на транспорте и в других системах автоматизированного
m 1ропривода.

По способу возбуждения двигатели постоянного тока, так же как и
Я исраторы, делятся на двигатели независимого, параллельного, последо-
йцельного и смешанного возбуждения (см. рис. 5.46). Двигатели незави-
Рис. 5.61. Энергетическая диаграмма двига-
теля

СИМОГО ВОЗбуЖДеНИЯ MlMyt
быть разделены на двиыи >н
электромагнитным воз(. .
нием, когда обмотка вотбу**
ния подключена к посторочияц
источнику ПОСТОЯННОГО Кто IMV
на зажимы двигателя, и на <*<>
гатели с магнитоэлектри>-<»И1
возбуждением, когда iimi |
обмотки возбуждения num
зуются постоянные малины

На рис. 5.61 предспш'ым
энергетическая диаграмма м

гателя параллельного возбуждения. Электрическая мощность Р\, тпА>
раемая из сети, расходуется на покрытие потерь и преобразуем ।1.
механическую мощность Р2:

Р^Р+Р2.

И Ml

Потери — это мощность, которая в машине преобразуется н гги 
Сумма потерь

=Р„ + Рэ + Рсг + Рмех + Рд,	।

где Рв — электрические потери в обмотке возбуждения; Рэ — электрни
ские потери в обмотке якоря; Рст — магнитные потери — потери in
магнитопровода якоря; Рмех — механические потери; Рд — добавочно
потери.

Электромагнитная мощность или мощность воздушного зазора •
= Р\ - Рв - Р3 преобразуется в полезную механическую мощность и р •
ходуется на покрытие потерь Рст + Рмех + Рд.

Расчет потерь производится по тем же формулам, что и для генер.пор«
Электромагнитный момент двигателя

Ч-=~ •	0'1-

“р

Электромагнитный момент уравновешивает момент на валу muihiki»
и момент, связанный с потерями Рст, Риех и Рд.

Для двигательного режима U > Е и

U = E + IxRm,	(5/Ц

откуда

U-E

Р,„


Так как из (5.15) Е =
1»го, тогда из (5.79) частота
Вращения

го — U~^R^ . (5.81)
сФ

истота вращения пропор-
ыональна приложенному
ш пряжению и обратно про-
порциональна потоку.

Если из (5.8) определить

(5.82)
сФ

|ч, подставляя (5.82) в (5.81),
«поучаем

Рис. 5.62. Рабочие характеристики двигателя
параллельного возбуждения

U RmM
сФ сФ2

(5-83)

Это выражение описывает механическую характеристику двигателя
f(M) при 17= const.

Основными характеристиками двигателей постоянного тока являют-
« рабочие и механические характеристики. Характеристики холостого
щи и короткого замыкания снимаются также, как и в генераторном режиме.

Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения пред-
кпплепы на рис. 5.62. Это—зависимости М, Р}, го, /я и г] при по-
липном напряжении сети U и неизменном положении реостата в цепи
ймогки возбуждения.

С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент на валу
(виателя М, а частота вращения немного падает. Увеличение нагрузки
(•инодит к росту мощности Р|, забираемой из сети, и росту тока якоря
> шпеимость КПД от нагрузки имеет такой же вид, как и для других элек-
|«1чсских машин.

Зависимости Р\, 1Ю г) -fiP-^ мало изменяются для двигателей с различ-
има схемами возбуждения. Отличаются только характеристики го =/(^2)-

Характеристика го = J[M) при постоянном напряжении сети и неиз-
Бппых сопротивлениях регулировочных реостатов называется механи-
кой характеристикой двигателя. На рис. 5.63 представлены механиче-
•tiv характеристики двигателей постоянного тока при различных схемах
•(Суждения.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения —
« ! । кая. Двигатель последовательного возбуждения имеет удобную для
Рис. 5.63. Механические ха-
рактеристики двигателей при
различных схемах возбуждения:
1 — параллельное; 2 — последо-
вательное; 3 — смешанное при
согласном включении обмоток

транспортных установок механическую < <
рактеристику, когда с уменьшением ш if
ты вращения растет момент. Мехапич > |
характеристика двигателя смешанно! о м6
буждения — промежуточная между м
ническими характеристиками дюию
параллельного и последовательного ми
буждения.

В двигателях последовательно! о »»«
буждения ток возбуждения равен ток «•
ря, поэтому из (5.82)

М = скф12,

о Ml

так как Ф = кф1„.

В двигателях параллельного шчО «
дения момент пропорционален потоку, а в двигателях последоватсльи я
возбуждения — квадрату тока, поэтому двигатели последователи!
возбуждения имеют большой пусковой момент и большую nepcipyi- J
ную способность.

Двигатели последовательного возбуждения из-за особенное .ч, и
механической характеристики не могут применяться в электропринк,ц^|

которых возможно уменьшение момента сопротивления до нуля, *гп) г .
ведет к уменьшению тока в якоре и снижению потока, и двигатель
в разнос. При этом увеличится частота вращения и машина можс! ш

из строя.

Устойчивая работа двигателя с нагрузкой зависит от вида мсхинн •»
ской характеристики двигателя и нагрузки (рис. 5.64). Критерий у* ><4ф
вой работы двигателя

dM < dMK
dn dn

При выборе двигателя для той или иной нагрузки следует помп*

критерии устойчивости.

Частоту вращения двигателей по-
стоянного тока, исходя из (5.81), можно
регулировать путем изменения напря-
жения, введения сопротивления в цепь
ротора и изменения потока.

Наиболее распространенный спо-
соб регулирования частоты вращения —
изменение потока возбуждения путем
регулирования тока в обмотке возбуж-

Рис. 5.64. К устойчивости р
двигателя
Рис. 5.65. Регулирование частоты
вращения путем изменения пото-
ка возбуждения

hiия. Наиболее простой способ регу-
лирования тока возбуждения — варьи-
рование сопротивления регулировочно-
№ резистора в контуре возбуждения (см.
Мс. 5.46, а, б).

При изменении тока возбуждения
fiiuiacHo (5.83) имеют место механиче-
*ис характеристики такие, как это по-
иишо на рис. 5.65. Таким способом
важно регулировать частоту вращения в
ци-делах 1:1,5, 1:2. Глубокое уменьше-
ние потока недопустимо, так как при

• арузке реакция якоря будет «опрокидывать» поле возбуждения, что
|||||цедет к неустойчивой работе двигателя. Увеличение потока в обыч-
K.ix двигателях параллельного возбуждения нецелесообразно, так как
нипитная система двигателей насыщена. При увеличении массы двига-
ют и принятии специальных мер можно увеличить пределы регулирова-
мм частоты вращения в ненасыщенных двигателях до 1:5. Хотя этот спо-
иб обеспечивает сравнительно небольшие пределы регулирования часто-
и< вращения, он является экономичным и находит широкое применение,
ада пределы изменения частоты вращения небольшие.

Регулирование частоты вращения путем введения R^ позволяет из-
hi и гь частоту вращения в широких пределах, но этот способ неэконо-
мен, так как регулировочный резистор включается в силовую цепь и на
•м выделяется тепло, пропорциональное квадрату тока нагрузки.

Механические характеристики при этом способе регулирования по-
мним на рис. 5.66. Механические характеристики при различных R^
входят из одной точки, так как при холостом ходе (/„ « 0 ) 7?^ практи-
* хи не влияет на падение напряжения. При регулировании частоты

• • 5.66. Регулирование частоты
ишемия путем изменения сопро-

•м'|лшя в цепи якоря

вращения путем изменения тока воз-
буждения механические характери-
стики сходятся вблизи точки 7Я = 7, к,
где I, к — установившийся ток корот-
кого замыкания. Ток короткого за-
мыкания определяется внутренним
сопротивлением двигателя и напряже-
нием, которое равно напряжению сети.

Регулирование частоты враще-
ния путем введения сопротивления в
цепь якоря применяется в двигателях
последовательного и смешанного
возбуждения. В двигателях последо-
вательного возбуждения для регулирования частоты вращения при».!«
ется также шунтирование обмотки возбуждения активным сопрот, ни
ем. При тех же пределах регулирования частоты вращения поит > н
тельное включение R^ в цепь якоря и шунтирование обмотки вон •

ния дают одни и те же технико-экономические показатели.

Лучшие механические характеристики и меньшие потери в дшп • <»
постоянного тока достигаются при регулировании частоты вращеню
счет подводимого к двигателю напряжения. Но, как и в машинах МВ
менного тока, при этом способе регулирования частоты вращения I..
ходимо иметь громоздкое устройство, обеспечивающее регулиромв
напряжения. Обычно это электромашинное устройство. При наличии М
переменного тока это устройство состоит из двух электрических мин •
асинхронного или синхронного двигателя и генератора постоянно!и •

В автономных системах вместо приводного электродвигателя, нриии*
щего генератор постоянного тока, применяются дизели, двигатели
реннего сгорания и паровые или газовые турбины.

Способ регулирования частоты вращения двигателя постоянно!! I
ка путем изменения подводимого к якорю напряжения обеспечиним
рокие пределы регулирования. Этот способ по существу сходен с ч
ным регулированием в машинах переменного тока, так как закон и и
ния напряжения и частоты близок к U/ f = const и регулирование н|
ходит при постоянном потоке. Механический преобразователь части
коллектор изменяет частоту переменного тока, протекающего и
пропорционально напряжению, приложенному к обмотке якоря. I 
ческой схемой регулирования частота вращения за счет приложен!»,
якорю напряжения является схема генератор—двигатель (рис. 5 о
этой схеме якорь генератора независимого возбуждения питает днш <
Напряжение на генераторе Си двигателе/(изменяется за счет итм г
тока в обмотке возбуждения генератора ОВГ. Генератор вращает
водным двигателем,
рый может бы и. 
хронным двиганием
наличии сети порем?щ

Рис. 5.67. Система генератор—двигатель:

ПД — приводной двигатель; ОВГ — обмотка возбуж-
дения генератора; Яр.г, — резисторы в цепи об-
мотки генератора и двигателя

тока или
стоянного

двигателем *
тока. Чн> «в

вращения генераюрн I
стоянная.

Частота npnt
двигателя и припн
механизма ПМ pri

ется как за счет iihhi
Рис. 5.69. Изменение момента,
тока в якоре и частоты вращения
при реверсе в системе генера-
тор—двигатель

и 5.68. Регулирование частоты
мнения в системе генератор—дви-
коп.

.п и обмотке возбуждения двигателя ОВД. При изменении напряжения в
»мс генератор — двигатель механические характеристики изменяются так,
» >1< юказано на рис. 5.68.

\ема генератор—двигатель позволяет изменять частоту вращения дви-
||' ия в пределах 1:25,1:100 и выше. При этом осуществляется экономичное
п|рование, но требуются три электрические машины. Эта схема позволя-
> ш уществлять реверс путем изменения направления тока в обмотке возбуж-
 n t генератора.

11а рис. 5.69 показано изменение момента, тока, частоты вращения от
•пряжения. Достоинство системы генератор—двигатель также в том,
• регулирование частоты вращения происходит при неизменном токе в
Ьре

Н связи с успехами полупроводниковой техники схема Г—Д вытес-
Ьну тиристорными электроприводами, в которых приводной двигатель
исратор заменяются силовым полупроводниковым преобразователем,
btмогря на замену двух машин силовым преобразователем на транзи-
||ш\ или тиристорах, схема Г—Д будет применяться в реверсивных
Ьподах, так как имеет высокую перегрузочную способность и не ухуд-
 । качество электроэнергии в сетях.

II последние годы внедряется частотное регулирование машин пере-
гнию тока. Однако появление новых схем с полупроводниковыми пре-
н»<ателями частоты не вытесняет двигатели постоянного тока, кото-
III«-прежнему находят широкое применение в электроприводах. Дви-
пи постоянного тока изготовляются мощностью от нескольких ватт
ПН (00 кВт, причем верхний предел частоты вращения ограничивается
гацией, а нижний — устойчивостью в работе.
5.11.	Переходные процессы в машинах
постоянного тока

Динамику машин постоянного тока можно исследовать по диф I
ренциальным уравнениям (5.1)—(5.4). Для решения этих нелинейна
уравнений необходимо применять ЭВМ. В настоящее время такие fl
цессы, как пуск, самовозбуждение генераторов с параллельным во <6, |
дением и др., изучены достаточно подробно.

Пуск двигателей постоянного тока может осуществляться тремя
собами: прямым включением в сеть, с помощью пускового резне
при пониженном напряжении цепи якоря. При пуске необходимо uft< fl
чить достаточный для быстрого разбега пусковой момент при тойпя, •
опасных для двигателя.

Прямой пуск двигателей постоянного тока допускается для дпии«
лей небольшой мощности, так как в первый момент при пуске, ко™ I
О, в якоре машины протекают большие токи. При п = 0 и Е = 0 ток в >4
мотке якоря из (5.80):

Явн

Внутреннее сопротивление небольшое, и ток при пуске может fl
гать (50-^100)7Я11ом- Такие токи могут ухудшить коммутацию, что мн >
привести к перекрытию дугой коллектора. Прямым пуском обычно I I
каются машины мощностью до сотен ватт, у которых внутреннее I I
тивление большое и пусковой ток не превышает (5^-10)7Я11ОМ, а пуск прнф
кает 1—2 с.

Пуск с помощью включения пускового резистора в цепь якорь

Рис. 5.70. Схема пуска двигателя парал-
лельного возбуждения

ется наиболее распроецшь»».
ным. Схема пуска двигангл! I
раздельного возбуждения и 
зана на рис. 5.70.

Двигатель подключает •
сети через пусковой рео< nir.fl
торый имеет три вывода.
Л присоединяется к сети, )П
обмотке возбуждения, Я
якорю.

В первый момент 1ь><
подвижной контакт присослин»
ется к контакт?' 1 и все сп
тивление вводится в цеш. нм >-«
• обмотка возбуждения соединяется напрямую с сетью. Когда п = 0, ток в
норе

Л.н+^п

(5.87)

шс R„ — сопротивление пускового реостата.

Значение R„ подбирается так, чтобы в начальный момент ток в якоре
превышал (1,4з-2,5)7, ном. Большие значения тока /,ном относятся к ма-
шинам небольшой мощности.

По мере разгона двигателя пусковой реостат постепенно выводится и
• • окончании разбега двигателя он находится в положении 6 и якорь под-
мечается напрямую в сеть. Длительное протекание тока по пусковому
астату недопустимо, так как он рассчитан на кратковременный режим
капоты.

При отключении двигателя от сети обмотка возбуждения замыкается
«грез цепь якоря и тем самым исключаются перенапряжения на обмотке
• ибуждения и возникновение дуги на контактах.

Промышленность выпускает станции управления, обеспечивающие
|ан>матический пуск двигателей постоянного тока.

При пуске активное сопротивление пускового реостата изменяется
«пенями, и ток в якоре пульсирует. Пульсации тока вызывают пульса-
•>|ц электромагнитного момента, который равен произведению потока
«.ибуждения и тока в якоре. Пульсации тока и момента вызывают пуль-
Ьции частоты вращения (рис. 5.71). Установившийся режим наступает,
рч да Мзм = Мс. В переходном режиме

at

При разгоне двигателя в обмотке якоря наводится ЭДС Е = сФю.
Электродвижущая сила уравновешивает приложенное напряжение,
щгньшая ток в якоре, поэтому при пуске следует стремиться к тому, что-
bi поток был максимален, т.е. сопротивление регулировочного резистора

~ 0. Двигатель последователь-
Ь»о возбуждения обладает боль-
«чм пусковым моментом, так как
Ь> юк возбуждения определяется то-
•м якоря.

При пуске и в установившемся
г*име недопустимо отключение
мотки возбуждения от сети. От-
Иочение — обрыв обмотки возбу-
• пения — приводит к уменьшению

t

Рис. 5.71. Зависимости ш, М3„ = fit)
при пуске
потока возбуждения — уменьшению ЭДС и возрастанию тока в якир
Увеличение тока в якоре приводит к возрастанию электромагнитного 
мента и частоты вращения. Говорят, что машина в этих условиях ид 1
разнос. Возрастание тока якоря и частоты вращения приводит к ухудщ
нию коммутации и может кончиться аварией.

Пуск двигателей постоянного тока при благоприятном протекции*

переходных процессов осуществляется при питании двигателя от и- и»ч
ника постоянного тока с регулируемым напряжением. Примером прим
нения такой схемы пуска является система генератор—двигатель. Оди 

эта система имеет высокую стоимость и применяется для пуска и регуцц
рования частоты вращения машин постоянного тока большой мощим щ

Самовозбуждение генератора параллельного возбуждения относя
к переходным режимам, имеющим много общего с самовозбуждени
асинхронного генератора (см. § 3.18). Для самовозбуждения необхот-
остаточный поток, который может составлять 1ч-5% номинального по» им
возбуждения. Небольшая ЭДС от этого потока вызывает в якоре и о(»м»н
ке возбуждения ток, который приводит к увеличению потока вол у
ния, что приводит к новому увеличению потока возбуждения и т.д. II*
растание потока возбуждения продолжается до тех пор, пока напрял эиМ
не достигает установившегося значения.

На рис. 5.72 упрощенно показан процесс самовозбуждения генср 11
ра параллельного возбуждения. В переходном режиме.уравнение копп||
возбуждения

at

где LB — индуктивность обмотки возбуждения (индуктивностью обмбМ
якоря можно пренебречь).

Рис. 5.72. Самовозбуждение генератора
параллельного возбуждения:

XXX — характеристики холостого хода; ЛЛ —
вольтамперная характеристика обмотки воз-
буждения

В установившемся режим*
ток в контуре возбуждения otij
деляется только активным сощ

гг	А

тивлением. Производная

определяет скорость Hapaciun*|
тока в обмотке возбуждение
Точка пересечения характеры» itti
холостого хода и вольт-ампс|чи<
характеристики определяет |чтм
ние двух уравнений, которые мм
ны графически на рис. 5.72.

Самовозбуждения не
если характеристика ходоопя
д и вольт-амперная характеристика
пересекаются. Это возможно при
слишком большом значении RB и недос-
пи очной частоте вращения, когда мала
)ДС (рис. 5.73). Самовозбуждения не
<|удет, когда ЭДС от остаточного поля
/,,ст и ток в обмотке возбуждения от
ной ЭДС действуют встречно.

Следует отметить, что насыщение
магнитной системы машины определя-
п установившийся режим работы ма-
шины с самовозбуждением. В ненасы-

Рис. 5.73. Условие возбуждения
генератора

и

щепной машине процесс самовозбуждения не устанавливается, так как
нрактеристики холостого хода и вольт-амперная характеристика не пе-
ресекаются.

При уменьшении 7?в наклон прямой iBR„ уменьшается и она может
писаться XXX. Дальнейшее уменьшение 7?в приведет к самовозбуждению
Мишины (см. рис. 5.72). Активное сопротивление обмотки возбуждения,
при котором еще возможно самовозбуждение, когда вольт-амперная ха-
рактеристика касательна к характеристике холостого хода, называется
»р(ггическим сопротивлением. Когда изменяется частота вращения гене-
ратора, говорят о критической частоте вращения, при которой характери-
стики холостого хода касаются вольт-амперной характеристики обмотки
кибуждения.

Из сказанного выше следует, что напряжение на выводах генератора
можно регулировать как путем изменения сопротивления в контуре воз-
буждения, так и путем изменения насыщения и частоты вращения.

Отключение двигателя от сети производится выключателем. За счет
ипкопленной кинетической энергии выбег двигателя вместе с приводным
механизмом может продолжаться некоторое время. Время выбега умень-
ши гея, если обмотка возбуждения не отключается от сети. Тогда за счет по-

к

Ри< 5.74. Схема дина-
мического торможения

терь в стали двигатель останавливается быстрее.

Во многих случаях торможение следует
осуществлять быстро, а иногда и точно (станки,
лифты, транспорт). Возможны три основных
типа быстрого останова двигателей постоянно-
го тока: динамическое торможение, торможение
противотоком и рекуперативное торможение.

При динамическом торможении якорь пе-
реключают на резистор R (рис. 5.74). Обмотка
возбуждения ОВ остается подключенной к сети.
Торможение в этом случае осуществляется бы-
Рис. 5.75. Схема торможения
противотоком

стрее, так как к потерям в стали в магиш*
проводе добавляются электрические ио о ри
в обмотке якоря и добавочном резистор?

Торможение противотоком осущссиик
ется путем изменения направления гом »
якоре за счет переключения выводов якоря *
сети (рис. 5.75). Эта схема применяем и > ц
быстрого останова двигателя, который |i|m
ходит в трудных условиях ухудшении мм
мутации, быстрого выделения большого

личества тепла. Для ограничения тока в якоре применяется добаво'ш»

сопротивление Ra.

При рекуперативном торможении двигатель переводится в гсн« р
торный режим, а затем отключается от сети. Достоинство этого ciiociKw •
том, что при рекуперативном торможении часть кинетической шсрым
отдается в сеть, а при других способах торможения кинетическая эпс|ч (

преобразуется в тепло.

Для того чтобы двигатель перевести в генераторный режим, надо №
высить ЭДС. Когда Е будет больше U, ток в якоре изменит направлен!* и
двигатель перейдет в генераторный режим (рис. 5.76). При рекуперпн!»
ном торможении увеличивается поток возбуждения и ЭДС возраст».
Пока Е > U в сеть будет отдаваться электрическая энергия. В генери нц
ном режиме машина будет работать до определенной частоты вращени»
так как увеличивать поток возбуждения можно в ограниченных пред- им

Насыщение магнитопровода не позволит значительно увеличить но и •
возбуждения.

Рекуперативное торможение широко применяется на транспорт 1‘

куперация может осуществляться двигателями параллельного и смени®
ного возбуждения (кривые 7 и 2 на рис. 5.76). Двигатели последоппн п

ного возбуждения не позволяют
(кривая 3 на рис. 5.76).

Характер переходных про-
цессов при включении на парал-
лельную работу зависит от раз-
ности напряжений сети постоян-
ного напряжения и подключае-
мой к сети машины. Когда на-
пряжения сети и машины равны
друг другу, броски тока мини-
мальны.

При переходных процессах
в машинах постоянного тока

осуществлять рекуперацию эн<-|ч>«л

Рис. 5.76. Рекуперативное торможС|Н"
переходные токи влияют в первую очередь на коммутацию. Ухудшение
коммутации ограничивает броски токов и определяет характер протека-
ния переходных процессов и конструкцию машины постоянного тока.

5.12.	Специальные машины постоянного тока

Электромашиииый усилитель поперечного поля (амплидин). В
генераторах независимого возбуждения мощность возбуждения Р„ со-
< гавляет 1+5% мощности генератора Р2. Коэффициент усиления:

к = — -20 + 100.
у Л

(5-89)

В системах автоматического управления желательно иметь больший
коэффициент усиления, чтобы уменьшить массу промежуточных блоков
усиления. Электромашинные усилители — это генераторы постоянного
юка с коэффициентом усиления 103—104.

Электромашиииый усилитель (ЭМУ) поперечного поля имеет на
и коре две пары щеток, причем щетки по поперечной оси машины qq
шмкнуты накоротко (рис. 5.77). Небольшой ток Ц в обмотке управления
< )У создает небольшой поток управления Ф| по продольной оси dd маши-
ны. Поток управления наводит в короткозамкнутом контуре по попереч-
ной оси машины ток /2, который создает по поперечной оси машины по-
юк Ф2. Поток Ф2 неподвижен относительно щеток, а в витках обмотки

«коря, которые вращаются в поперечном поле, наводится ЭДС Е3. Эта
ЭДС на щетках в продольной оси создает выходное напряжение С7ВЫХ.

I ок нагрузки /3 создает поток реакции
«коря Ф3, который направлен навстре-
чу потоку Фь Чтобы скомпенсировать
действие потока нагрузки на поток
> правления, в ЭМУ поперечного поля
и ганавливается компенсационная об-
мотка КО. Для точной компенсации в
>МУ поперечного поля имеется регу-
шровочный резистор Rpe„ с помощью
которого производится настройка
компенсации.

В витках обмотки якоря склады-
ваются токи в короткозамкнутом кон-
ivpe /2 и ток нагрузки /3. В каждой чет-
верги обмотки якоря токи отличаются
друг от друга, что вносит лишь некото-

Рнс. 5.77. Схема ЭМУ поперечно-
го поля
Рис. 5.78. Наложение токов и потоков
в ЭМУ поперечного поля

рые особенности в расчет элекгрм
ческих потерь в обмотке якоря.

Обмотка дополнительных ни
люсов ОД обтекается током 73.

На рис. 5.78 показано также и.
правление Потоков в ЭМУ попер ч
кого поля. Штриховой линией in»»
заны потоки реакции якоря Ф( <п
тока нагрузки и поток компенсцнн
онной обмотки Фк. Результирующий
поток в продольной оси маиини
равен потоку обмотки упрашк-ш*<
Фь так как МДС компенсационной
обмотки и поперечной реакции <н
тока нагрузки в сумме равны нулю

На рис. 5.79 представлен поперечный разрез магнитопровода якоря и
статора ЭМУ поперечного поля. Сталь якоря имеет обычную конфи! у |
цию. Статор — неявнополюсный с пазами, имеющими разный профит.
Обмотка дополнительных полюсов, которой снабжается ЭМУ для ynyi
шения коммутации тока нагрузки, располагается на зубце по продолыни»
оси машины 1. Компенсационная обмотка 2, которая состоит из ка гунн •
разной ширины, помещается в пазах между осью d и большим пазом II
большом пазу располагаются обмотки управления 3, которых обычно |
ЭМУ бывает две или четыре, и одна сторона катушки компенсационном
обмотки. Высота спинки магнитопровода над большим пазом всею »и
сколько миллиметров, так как над большим пазом замыкается только ж

ток управления.

В ЭМУ поперечного поля объединены два генератора независимо! •<
возбуждения. Первый каскад — обмотка управления и поперечный м*
роткозамкнутый контур. Второй каскад — поперечный короткозамкп
тый контур с током возбуждения 1г и выход — продольный TOK 7j II IM
пряжение С/ВЬ1Х. Таким

образом коэффициент
усиления по мощности
ЭМУ поперечного поля
равен

*,=*,!**’ (5-90)
где Ayi и ку2 — коэффи-
циенты усиления по
мощности первого и
второго каскадов.

Рис. 5.79. Конструкция ЭМУ поперечного поп»
Обычно ЭМУ попереч-
ного поля выполняются в
одном агрегате с приводным
цвигателем. Выпускаются
)МУ на мощность от сотен
ватт до десятков киловатт.

Электромашиииый
усилитель продольного
поля. В свое время были
предложены десятки конст-
рукций ЭМУ. Наиболее ин-
тересной схемой для пони-

Рис. 5.80. ЭМУ продольного поля

мания работы генераторов является схема ЭМУ продольного поля (ро-
ютрола). Это генератор параллельного возбуждения, имеющий сопро-
тивление обмотки возбуждения несколько больше критического.

На рис. 5.80, а дана схема ЭМУ продольного поля. Магнитодвижу-

щие силы обмотки управления ОУ и обмотки самовозбуждения ОСВ дей-
i гвуют согласно. Коэффициент усиления ЭМУ продольного поля зависит
о г того, насколько сопротивление контура обмотки самовозбуждения
приближается к критическому сопротивлению, т.е. зависит от соотноше-
ния Foy и Fo as (рис. 5.80, б).

В ЭМУ продольного поля коэффициент усиления может достигать
1<>2—Ю3. Выполняя схему ЭМУ продольного поля двухступенчатой,

можно получить ку »103 -=-104. Однако характеристика холостого хода

машины постоянного тока нестабильна и при больших коэффициентах
усиления появляется разброс выходных характеристик.

Постоянная времени генератора с самовозбуждением больше, чем
I оператора с независимым возбуждением. Чтобы уменьшить постоянную
времени, магнитную систему выполняют Насыщенной, для чего в полю-
сах делают вырезы (рис. 5.81). Насыщение мостиков, образованных выре-
шми, обеспечивает наклон характеристики холостого хода уже при не-
больших МДС, что способствует устойчивой работе генератора при со-
противлении обмотки возбуждения, близком к критическому.

Гис. 5.81. Полюс с насы-
щающимися мостиками

В системах возбуждения электрических
машин широко применяются статические сис-
темы возбуждения с полупроводниковыми
приборами. Однако электромашинные системы
при сравнении с другими системами усиления
имеют важное преимущество, состоящее в том,
что в них происходит электромеханическое
преобразование энергии, а д тя работы статиче-
Рис. 5.82. Генератор с расщепленными

полюсами

ских систем требуется источит
электрической энергии.

Генератор с расщеплен
ними полюсами. Для получв
ния специальных внешних хй
рактеристик генераторов, обе»'
печивающих необходимые re к
нологические требования при
водных механизмов, примени
ются не только различные ком»
бинации включения обмотпи
возбуждения (см. § 5.10), по И
специальные конструкции ген-
раторов постоянного тока.

На рис. 5.82 представлен»

схема генератора с расщеплен-
ными полюсами, имеющего внешние характеристики, которые необходи
мы для сварочных аппаратов (рис. 5.83).

В генераторе с расщепленными полюсами каждый полюс разделен
на два полюса. Один из одноименных полюсов насыщен, а другой — не
насыщен. Таким образом полюсы S} не насыщены, a N2, S2 насыщены
(рис. 5.82). Поток поперечной реакции якоря, направленный встречно •
потоком возбуждения в ненасыщенных полюсах М, ослабляет поле |
воздушном зазоре под этими полюсами. Однако из-за насыщения шм
насыщенными полюсами N2, S2 увеличение потока происходит значи
тельно медленнее и общий поток с ростом нагрузки уменьшается, что и
обеспечивает необходимый вид внешних характеристик.

Обмотка возбуждения подключена к третьей щетке, которая рас ни
ложена между одноименными полюсами (рис. 5.82). Гак как в зоне ком
мутации этой щетки поле главных полюсов ослаблено, обеспечивасп»
удовлетворительная коммутация. Напряжение на обмотке возбуждении

при холостом ходе равно примерно полови-
не напряжения на рабочих щетках. С ростом
нагрузки оно изменяется мало, так как по-
ток под насыщенным полюсом N2 увеличи-
вается незначительно. Можно считать, что
обмотка возбуждения подключена к посто-
янному напряжению. При практически не-
изменном токе возбуждения поток в генера-
торе с расщепленными полюсами уменьша-
ется с ростом нагрузки, что и обеспечивает
падающий вид внешних характеристик. Пе-

Рис. 5.83. Внешние харям I»
ристики генератора с paciM
пленными полюсами
реход с одной внешней характе-
ристики на другую (рис. 5.83)
осуществляется путем измене-
ния сопротивления в контуре
обмотки возбуждения или пере-
мещения третьей щетки.

Потенциальная кривая на
коллекторе в машине с расщеп-
ленными полюсами при холо-
стом ходе сходна с потенциаль-
ной кривой на коллекторе обыч-
ной машины. С ростом нагрузки
она деформируется, и напря-
жения между коллекторными
пластинами под ненасыщен-

Рис. 5.84. Генератор с поперечным возбу-
ждением

пыми полюсами уменьшаются, а под насыщенными — остаются такими
же, что и при холостом ходе.

В генераторах постоянного тока небольшой мощности иногда с по-
мощью третьей щетки снимают напряжение для питания обмотки возбу-
ждения, но из-за плохой коммутации трехщеточные генераторы с обыч-
ной магнитной системой, когда третья щетка помещается под полюсом, а
коммутация происходит в зоне с большой индукцией, практически в на-
стоящее время не находят применения.

Для получения внешних характеристик, похожих на характеристики
сварочного генератора, могут быть использованы генераторы с попереч-
ным возбуждением. Если в схеме ЭМУ поперечного поля исключить
компенсационную обмотку, получим генератор с поперечным возбужде-
нием (рис. 5.84). В этой машине при неизменном токе в обмотке возбуж-
дения при изменении тока нагрузки /3 поперечная реакция якоря F3, на-
правленная встречно с МДС обмотки возбуждения F„, будет при
определенном конструктивном выполнении машины обеспечивать неиз-
менные напряжение и ток на выходе генератора при изменении частоты
«ращения в широких пределах. Возрастание тока нагрузки приводит к
величению потока реакции якоря F3, что ведет к уменьшению потока
возбуждения и сохранению почти неизменными напряжения и тока на-
>рузки. При изменении направления вращения полярность выходного
напряжения не изменяется. Такие генераторы применялись для освеще-
ния железнодорожных вагонов. В настоящее время для освещения ваго-
нов применяются синхронные генераторы с клювообразными полюсами и
выпрямителями в силовой цепи.

Униполярные генераторы и двигатели. В теории электрических
машин они занимают особое место. Первой индуктивной электрической
машиной, созданной М. Фарадеем в 1821 г., был униполярный двигатели
(см. рис. 1.4). В этом двигателе проводник, в котором протекает постоян-
ный ток, вращается вокруг постоянного магнита. При этом происходи!
преобразование электрической энергии в механическую. Проводник с
током вращается вокруг постоянного магнита и только при условии нал и
чия в цепи электрического тока скользящего контакта происходит злом
тромеханическое преобразование энергии. Скользящий контакт в двши
теле М. Фарадея между неподвижной и вращающейся частями электриче
ской цепи осуществлялся ртутью, налитой в чашку.

Униполярные машины в отличие от других машин не получаются при
отыми построениями из обобщенной электрической машины, так как в стаик
ре и якоре протекает постоянный ток. Однако, обращаясь к уравнениям элек
трической машины в осях duq, следует отметить, что они описывают при
цессы преобразования энергии при протекании в обмотках электрической
машины постоянных токов. Здесь важно сделать следующее замечание: если
уравнения имеют решение, значит, должен быть и их физический аналог. II
электромеханике таким аналогом уравнений электромеханического преобра-
зования энергии являются униполярные электрические машины.

Если рассматривать униполярную машину со стороны электрической
цепи, то следует констатировать, что в униполярной машине есть два или
несколько участков, имеющих различную скорость вращения.

Отличительной особенностью униполярных машин является то, чт<>
при обходе электрической цепи встречаются две или несколько подвйж»
ных и неподвижных частей, имеющих скользящий контакт.

На рис. 5.85 представлена современная схема униполярного генера-
тора. Стальной массивный ротор 7, выполненный из одной поковки с ин
лом, вращается в подшипниках 2. Обмотка возбуждения 3 создает поскн
янный поток Ф, который замыкается по статору, представляющему собой
две стальные чаши 4, и по валу ротора. Эта машина имеет четыре зазоре
(два между ротором и статором и два между статором и валом роторп)
Постоянный ток с вращающегося ротора снимается щетками 5, располо»
женными на внешней й
внутренней частях ротора

Работа щеточного ком
такта в униполярном гене
раторе по схеме рис. 5.8'
проходит в тяжелых услопн*
ях, особенно для щетки,
расположенной на внешней
части ротора, где линеЙни»
скорость может превьпшнк
100 м/с.
В униполярной маши-
не по схеме рис. 5.86 усло-
вия работы щеточного
контакта лучше. В этой
машине щетки скользят по
медным кольцам 6. Для
уменьшения электриче-
ских потерь в пазы рото-
ра 1 могут укладываться
медные шины, по кото-
рым протекает ток на-
1рузки I. Как и в машине,
показанной на рис. 5.85,
2 — подшипники, 3 —
обмотки возбуждения
(поток Ф показан сплош-

Рис. 5.86. Униполярный генератор с последова-
тельным соединением щеток

пыми линиями), 4 — статор, 5 — щетки.

Униполярные генераторы обычно имеют один виток на роторе (рис.

5.85). Поэтому такие машины низковольтные. Они рассчитаны на боль-

шие постоянные токи.

Униполярные генераторы изготовляются на напряжения в несколько
вольт и токи до 100—150 кА. Однако в униполярных генераторах можно
повысить напряжение. Для этого надо несколько щеток и колец соеди-
нить последовательно так, как это показано на рис. 5.86. В этом случае
внутри якоря размещается система изолированных проводников.

Электродвижущая сила в униполярных генераторах пропорциональ-
на индукции в зазоре, активной длине ротора / и частоте вращения рото-
ра. Поэтому при конструировании униполярных машин стремятся к уве-
личению индукции и частоты вращения.

Униполярные машины, как и все электрические машины, обрати-
мы. Но чаще униполярные машины используются в генераторном ре-
жиме. Униполярные генераторы применяются для питания электро-
лизных ванн и электропечей, а также в ударных генераторах для
физических исследований поведения плазмы в сильных магнитных
полях. То есть в тех случаях, где требуются большие постоянные токи
низкого напряжения.

За полтора века, прошедших после изобретения М. Фарадеем унипо-
лярного двигателя, были созданы сотни оригинальных униполярных ма-
шин. Но, пожалуй, самой замечательной униполярной машиной является
паша планета Земля.

Электромеханическая система планеты состоит из МГД- генератора и
униполярного двигателя, совмещенных в одной сферической машине
Рис. 5.87. Униполярный двигатель пла-
нета Земля

(рис. 5.87). Магнитное поле Земли
создается токами ядра Земли (/,,1
токами радиационных поясов (/(, „ J
и поперечными токами (/„). 'Гони
/яз замыкается на границе твердо
го (7) и жидкого ядра (2), а юкИ
7рп — на границе стратосферы
Земли (5) и Космоса. Поперечный
ток (/„) — это ток реакции якоря
униполярного двигателя и заму
кается он на границе литосфер
(4) и жидкой магмы (3).

Поперечный ток, взаимодей
ствуя с токами 7ЯЗ и /рп, смсщин
ось магнитного поля относи ген».

но оси вращения Земли на 10-5-11°, точно также, как это имеет мест и
обычных машинах постоянного тока.

МГД-генератор получает энергию из Космоса, поддерживая миллиарды
лет токи /я з, /р п и /п и работу униполярного двигателя (насоса) планеты.

Статором униполярного двигателя является твердое ядро и тверд и
магма и кора Земли, а ротором — жидкая магма, движущаяся между ли
тосферой и твердым ядром. Униполярный двигатель — это сферический
гиродин с жидким ротором. Струи жидкой магмы опускаются в экваюрн
альной зоне, ускоряются в средних широтах ядра Земли, где расположены
двигатели северного и южного полушария. Распределение индукции ь
токов на плоском изображении поверхности твердого ядра показано н<
рис. 5.88, а. На рис. 5.86, б дано предполагаемое распределение гладких и
бугристых зон. Преобразование электрической энергии в механическую «
униполярном двигателе планеты происходит по тем же законам, что и *

______П_П-ГШ	ПЛ_ПЛ	
90 80 60	40	20	0	20	40	60	80 90 б)

Рнс. 5.88. Распределение индукции и токов в униполярном двигателе плане! ы
552
МГД-насосе. Электромагнитный момент двигателя планеты обусловлива-
ет протекание глобальных энергетических событий на Земле, таких, как
1яйфуны, землетрясения, циклоны и антициклоны. Галактический цикл
определяет глобальный электромеханический переходный процесс, с ко-
торым связано потепление и глобальное изменение климата. Новое науч-
ное направление — геоэлектромеханика имеет важное значение для раз-
вития наук о Земле.

Подробно работа электрической машины — планета Земля — рас-
смотрена в [17].

Как и в униполярных машинах, магнитное поле жестко связано с то-
ками, а токи — с ядром Земли. В этой гигантской униполярной машине
скользящими контактами являются тысячекилометровые слои магмы,
практически неподвижные относительно друг друга на расстояниях сотен
километров, но каждый участок имеет различную скорость.

Изучение униполярной индукции в глобальных масштабах имеет важное
шачение и может оказаться полезным для практических применений.

Униполярная индукция в слабых магнитных полях может проявлять
себя также при больших скоростях движения объектов и изменении пло-
щади, охватываемой контуром, в котором замыкаются токи [5].

Магнитогидродинамические генераторы. МГД-генераторы — это
щектромеханические преобразователи механической энергии плазмы или
жидкости в электрическую энергию [11]. МГД-генераторы состоят из

МГД-канала I, в котором расположены электроды 2, а магнитное поле В
создается катушками 3 (рис 5.89).

Плазма, двигаясь в магнитном поле со скоростью v, создает на электро-
дах постоянное напряжение, и в нагрузке R„ протекает ток нагрузки I. Ток на-
|рузки замыкается поперек канала. Чтобы увеличить мощность МГД-генера-
к'ра, в плазму добавляются присадки щелочных металлов, увеличивается ско-
рость и температура плазмы. Для увеличения индукции в канале до 5 Тл при-

еняются катушки со сверх-
проводящими обмотками 3.

В МГД-генераторе ме-
ханическая энергия частиц
плазмы преобразуется в
ысктрическую энергию и
1спло. За счет разностей
i горестей на выходе и входе
 > и и, и температур на вхо-
де и выходе /1 и /2 осуществ-
ляется преобразование энер-
I пи в МГД-генераторе.

Рис. 5.89. МГД-генератор
Рис. 5.90. МГД-насос

При постоянной массе плазмы за сч«т
уменьшения температуры часть тепловой
энергии преобразуется в механическую энср
гию, а затем — в электрическую. Чем болын.
убыль кинетической энергии плазмы, тем
большая часть тепловой энергии преобр.ну
ется в электрическую энергию.

Электроды в МГД-генераторе работаю!
в тяжелых условиях — температура внутри
канала около 2000 К. Поэтому целесообриз
но использовать МГД-генератор в кратко
временных режимах работы.

Плазму или газ в МГД-генераторе мо*
но заменить электропроводящей жидкое гыо
Считая, что жидкость в канале движется ио
всех слоях с одинаковой скоростью и ротор

состоит из одного слоя, можно рассчитать ЭДС, наводимую на электро
дах, по закону электромагнитной индукции.

Как и все электрические машины, МГД-генераторы могут работа п. и
режиме двигателя. Для перекачки жидких металлов применяются Ml Д
насосы (рис 5.90). В МГД-насосах электрическая энергия постоянной!
тока преобразуется в механическую энергию движения жидкости. Такт
насосы находят применение на атомных электростанциях для перекачки
жидкометаллического теплоносителя первого контура. На рис 5.90 о(ю
значения те же, что и на рис. 5.89.

Иногда говорят, что в МГД-генераторе происходит непосредствен
ное преобразование тепловой энергии в электрическую. При этом имеин
в виду, что на МГД-электростанции не требуется паровая турбина, пре<
разующая тепловую энергию в механическую. В МГД-генераторе части

цы ионизированного газа или плазмы, получив ускорение в парогене] >п
торе, отдают механическую энергию в канале МГД-генератора, где ин»
преобразуется в электрическую энергию. Тепловая энергия, неисполын
ванная в МГД-канале, преобразуется в электрическую энергию по клв«
сическому циклу — парогенератор — паровая турбина — турбогенери
тор. В настоящее время спроектирован МГД-генератор на 500 MBi ui
сроком службы канала две недели.

МГД-генератор по схеме рис. 5.89 открытого цикла называют ген»
ратором фарадеевского типа. М. Фарадей в 1834 г. измерил напряжс-нн»
между берегами р. Темзы, подключив вольтметр в струи воды у право! о и
левого берега. Струи воды двигаются в магнитном поле Земли и, так |
как в канале МГД-генератора, в реках может наводиться ЭДС.
Явления униполярной индукции оказывают важное влияние на гло-
бальные процессы преобразования энергии на Земле и в космосе. Элек-
|ромеханическое преобразование энергии во многом определяет энерге-
тические процессы на Земле и в космосе. Человек только подошел к тех-
ническим применениям таких источников энергии, как космос. Теория
шектромеханического преобразования энергии, рассматриваемая в дан-
ной книге, является составной частью космической электромеханики [5].

Исполнительные двигатели постоянного тока. Они находят ши-
рокое применение в системах автоматического управления. Двигатели посто-
янного тока обеспечивают в широком диапазоне экономичное регулирование
частоты вращения как за счет изменения потока, так и за счет изменения на-
пряжения. Благодаря тому, что обмотка якоря — многофазная, двигатели по-
1шинного тока имеют высокую равномерность частоты вращения.

При конструировании исполнительных двигателей постоянного тока
стремятся обеспечить высокое быстродействие. Одним из способов
уменьшения электромеханической постоянной времени является умень-
шение момента инерции.

Основными типами малоинерциоцных исполнительных двигателей
являются двигатели с полым ротором и печатной обмоткой якоря.

Двигатели постоянного тока с полым ротором (ДПР) имеют два ста-
к>ра (рис. 5.91), как и двигатели с полым ротором переменного тока. На
одном из подшипниковых щитов 1 укреплен постоянный магнит 2. Маг-
нитный поток замыкается по корпусу 3. Обмотка якоря выполнена двух-
июйной и образует ротор 4 при заливке ее специальным компаундом.
11осле формовки образуется монолитный полый цилиндр, насаженный на
H.UI 5. Концы обмотки выведены на коллектор 6, на котором установлены
щетки 7. Одним из достоинств двигателей постоянного тока с полым ро-
юром является хорошая коммутация.

Серия ДПР включает двигатели мощностью от 0,12 до 37 Вт, имеет
высокий КПД, а постоянные време-
ни ниже, чем у обычных двигателей
|<>й же мощности, в 2—2,5 раза.

Двигатели с печатной обмот-
»<»й (рис. 5.92) имеют дисковой
«корь из изоляционного материала,
ни обе стороны которого распола-
I нс гея печатная обмотка. Печатная
иомотка выполняется из фольги,
щетки скользят непосредственно
но обмотке. Двигатель с печатной
обмоткой имеет торцевую конст-
рукцию [15].

2 3 4

Рис. 5.91. Малоинерционный двига-
тель постоянного тока
Рис. 5.92. Якорь с печат-
ной обмоткой

Двигатели постоянного тока для детски*
игрушек. Они выпускаются в количестве 
скольких миллионов штук в год. Статор двш и
теля (рис. 5.93) состоит из корпуса 1, в котором
укреплены постоянные магниты 2. Якорь дпл1 и
теля — явнополюсный и несет трехфазную  I
средоточенную обмотку 3, расположенную *м
полюсах 4. Три конца обмотки присоединены I
трехпластинчатому коллектору 5, а другие кон
цы соединены между собой. Таким обратом,
обмотки якоря соединяются в трехфазную ли i
ду. По коллекторным пластинам скользят щенки

6, к которым подводится постоянное напряжение от батарейки.

На примере этой простейшей машины постоянного тока можно поц»
зать общность машин переменного и постоянного тока. Если к обмою
якоря машины на рис. 5.93 подвести трехфазный переменный ток, а < *
тору дать возможность вращаться, получится простейшая синхрона
машина с возбуждением от постоянных магнитов. В этом случае коллг>
тор со щетками не нужен. Когда двигатель подключается к источнику
постоянного тока, необходим преобразователь частоты. В простейшем
виде — это трехпластинчатый коллектор.

Машины постоянного тока широко применяются в качестве датчики»

ускорения, датчиков положения, тахогенераторов и других ицдикаторньм
устройств.

Тахогенератор постоянного тока. Это ненасыщенный генери о ч
постоянного тока с электромагнитным возбуждением или с возбуждспи»ы

от постоянных магнитов. Вы-
ходная характеристика тахоге-
нератора U=fin) — прямая ли-
ния. Влияние реакции якоря
устраняется за счет того, что
машина делается ненасыщен-
ной или, наоборот, насыщен-
ной. Как в том, так и в другом
случае генератор работает на
линейной части характеристики
холостого хода. Достоинством
тахогенераторов постоянного
тока является меньшая масса
при той же чувствительности
по сравнению с тахогенерато-
рами переменного тока [15].

Рис. 5.93. Двигатель постоянного 1Я*« I
трехпластинчатым коллектором
Машины постоянного тока предельной мощности. Предельная
мощность машин постоянного тока определяется предельным диаметром
/>тах «4 м, что диктуется железнодорожными габаритами. Максимальная
линейная нагрузка А из опыта конструирования равна примерно 550-102
Л/м. Главное ограничение — среднее напряжение между коллекторными
пластинами, а также коммутация. Для машины с компенсационной об-
моткой (7кср = 30 В, а без компенсационной обмотки 18 В.

Предельную мощность машины постоянного тока можно определить
но формуле

P=3AU^—,	(5.91)

м pwc

। не va — линейная скорость якоря (принимается не более 70—80 м/с); wc —
число витков в секции (в машинах предельной мощности, как правило, wc = 1).

При va - 70 м/с, wc = 1, А = 550-102 А/м

Рп » 2 • 106 кВт-об/мин.	(5.92)

Из (5.92) следует, что при п = 1000 об/мин предельная мощность
равна 2000 кВт, при п = 3000 об/мин — 600 кВт, при и = 6000 об/мин —
*00 кВт, а при и = 12 000 об/мин — всего 100 кВт.

Среднее напряжение между коллекторными пластинами ограничива-
ет напряжение машин постоянного тока и не позволяет сделать его более
I —2 кВ. В практике электромашиностроения выполнялись машины по-
 .оянного тока на 10— 20 кВ. Для обеспечения надежной работы генера-
юра на коллекторе между щетками устанавливаются барьеры, препятст-
вующие возникновению дуги между щетками.

Рассмо' ренные специальные машины постоянного тока охватывают
лишь часть применений машин постоянного тока. Эти конструктивные
видоизменения демонстрируют возможности использования физических
процессов электромеханического преобразования энергии в машинах no-
ri оянного тока.

5.13.	Вентильные двигатели

При рассмотрении обобщенной машины было отмечено, что в ма-
шине постоянного тока механический преобразователь частоты — кол-
чек гор может быть заменен полупроводниковым преобразователем час-
к> гы на тиристорах или транзисторах. Вентильные двигатели — это элек-
щические машины, функционально объединенные с управляемым полу-
Рис. 5.94. Многофазный вентильный двигатель

проводниковым коммутап»
ром. Они близки по кон
структивным признакам и
характеристикам к коллек
торным двигателям. Так ж»
как и коллекторные двш а
тели, вентильные двигатели
имеют частоту вращения
вала, не зависящую от ча<
тоты сети, резулироваии*
частоты вращения осущсс'
вляется путем изменения
потока возбуждения и тока и
якоре. Вентильные двигаь
ли обладают высоким пу
ковым моментом и хороши
ми энергетическими показ»
телями. Благодаря отсутс!

вию коллекторно-щеточного узла вентильные двигатели имеют большую
надежность и долговечность.

Вентильные двигатели, как и коллекторные, имеют широкое разни
образие конструкций и схем включения обмоток.

На рис. 5.94 представлена схема вентильного двигателя, который
имеет такую же обмотку якоря, как и машина постоянного тока. На рою
ре вентильного двигателя 1 расположена обмотка возбуждения или по
стоянные магниты. В пазах статора располагается многофазная обмой»
якоря 2, секции или группа секций которой присоединены через полупро
водниковые блоки 3 к распределительным шинам 4 и сети.

В положении, показанном на рис. 5.94, открыты тиристоры Г и •"
Ток якоря 1Я в обмотке статора проходит по двум параллельным ветвям и,
как в обращенной машине постоянного тока, создается вращающий мп
мент. При движении ротора происходит переключение тиристоров дагчп
ками положения ротора.

При повороте ротора по часовой стрелке на угол 360/т, где т
число отпаек (фаз) обмотки якоря (в рассматриваемой машине т " К)
происходит переключение тиристоров. Включаются тиристоры 2' и б", I
Г и 5" — отключаются и т.д.

Таким образом, при вращении ротора вращается и поле якоря. При
этом, как и в обычной машине, происходит электромеханическое прс«б
разование энергии.

При реверсе работают пары тиристоров: 1" и 5', 2" и б' и т.д. Вклю
чение и отключение тиристоров осуществляется путем подачи импульечв
558
напряжения со специальных датчиков,
реагирующих на положение ротора.

Коммутатор по схеме рис. 5.94 по-
лучается громоздким и вентильные дви-
гатели по этой схеме практически не
применяются. Чтобы упростить комму-
татор, надо уменьшить число фаз машины.

Простейшей схемой вентильного
двигателя является двухфазная схема, но
наибольшее применение нашла трех-
фазная схема (рис. 5.95). В этой схеме
вентильная коммутация осуществляется
(рехфазным инвертором.

Система вентильной коммутации
обычно состоит из датчика синхронизи-
рующих сигналов, системы формирова-
ния сигналов управления и управляемо-

Рис. 5.95. Схема трехфазного
вентильного двигателя

го коммутатора.

Датчик синхронизирующих сигналов задает порядок и частоту пере-
ключения элементов коммутатора. При позиционном управлении — это
датчик положения ротора, а при фазовом — датчик фазы напряжения
якорной обмотки. Датчик положения ротора представляет собой встроен-
ный в машину узел, состоящий из чувствительных элементов, закреплен-
ных на статоре, и сигнальных элементов, закрепленных на роторе. Обыч-
но используются фотоэлектрические или магнитомодуляционные датчики.

Система формирования сигналов управления обеспечивает усиление
и формирование синхронизирующих сигналов.

Управляемый коммутатор осуществляет бесконтактные переключе-
ния в силовых цепях вентильного двигателя. Управляемый коммутатор
пыполняется на полупроводниковых приборах или других переключаю-
щих элементах, например герконах.

В управляемых коммутаторах на полупроводниковых приборах ис-
пользуются полностью управляемые приборы (транзисторы, двухопера-
ционные тиристоры) и не полностью управляемые (тиристоры, семисторы).

По способу коммутации управляемые коммутаторы на не полностью
\нравляемых полупроводниковых приборах можно разделить на три ви-
ни: с естественной, принудительной и смешанной коммутацией. При ес-
1сственной коммутации переключения происходят под действием ЭДС
икорной обмотки. При принудительной коммутации управление тирис-
। орами осуществляется под действием коммутирующего напряжения от-
пепьного источника либо напряжения питающей сети. При смешанной
коммутации имеет место комбинация первого и второго способов.
Вентильные двигатели могут питаться от сети как постоянного, i аь и
переменного тока. Если управляемый коммутатор питается от сети пос i »
явного тока, то он представляет собой инвертор — преобразователь ш>
стоянного тока в переменный. Если управляемый коммутатор подключен к
сети переменного тока, то он выполняет функции преобразователя частоты.

Комбинации различных структур управляемых коммутаторов, сил
собов инвертирования, типов ключевых элементов и схем их коммутаций
позволяют получить весьма обширную гамму коммутаторов, которi.i
подробно рассматриваются в курсе промышленной электроники. Одним'
несмотря на разнообразие, схемы управляемых коммутаторов можно ри»
делить по принципу преобразования электрических величин на преобри
зователи напряжения и тока.

В схеме инвертора напряжения в течение межкоммутационного ни
тервала напряжение на нагрузке равно напряжению звена постоянно! и
тока. Переток реактивной мощности обеспечивается обратным мостом и
конденсатором.

В схеме инвертора тока благодаря сглаживающему реактору входной
ток не меняет своего значения при переключениях вентилей.

Напряжение на нагрузке повторяет форму ЭДС фазы якоря. В шин |
торе напряжения синхронизируется фаза основной гармоники напри**
ния, а в инверторе тока — фаза основной гармоники тока.

Электромеханическая часть вентильных двигателей постоянною ii>
ка, как правило, аналогична известным конструктивным модификациям
синхронных машин. Для маломощных приводов используются двинпс »•<
с постоянными магнитами, а также гистерезисные, реактивные и пилу»
торные двигатели. В приводах средней и большой мощности использую!
ся двигатели с электромагнитным возбуждением.

Обычно конструкция вентильного двигателя идентична конструкции
общепромышленных синхронных двигателей. Поскольку вентилыш»
двигатели средней и большой мощности, как правило, питаю»си
управляемых коммутаторов, работающих в режиме инвертора тока < а*
тественной или смешанной коммутацией, одним из требований к ним »
ляется минимальная длительность процесса коммутации. В целях сип*»
ния xd и х' вентильные двигатели средней и большой мощности »иил
жают демпферной обмоткой с минимальным сопротивлением. Демп<|к I
ная обмотка выполняется медной и имеет сечение проводников пс mi  *«
15-5-20% сечения проводников якорной обмотки. В ряде применений ции
сообразно для снижения x"d и х' использовать якорь с беспазовой ук т <
кой обмотки в немагнитном слое.

В первом приближении, расчет вентильных двигателей можно ii|i
водить, считая, что источник питания — управляемый коммутатор им» 1
бесконечную мощность Тогда расчет электромеханической части вен-
нльного двигателя проводится по обычной методике с учетом несину-
инщальности питающего напряжения.

Средний электромагнитный момент определяется также, как и в син-
хронных машинах.

Как и двигатели с механическим коллектором, вентильные двигатели
шнволяют регулировать частоту вращения вверх от номинальной путем
шменения тока в обмотке возбуждения, а вниз от номинальной — путем
вменения тока в якоре.

Если полюсное регулирование частоты вращения не вызывает за-
труднений, то якорное регулирование, обеспечивающее широкий диапа-
!<>н изменения частоты вращения, требует усложнения управляемых ком-
мутаторов. Для этого в цепь якоря вводится широтно-импульсный моду-
пт ор. При якорном управлении вентильными двигателями средней и
большой мощности регулирование частоты вращения осуществляется за
ier регулирования тока в управляемом выпрямителе. Как и в двигателях
пне гоянного тока, при глубоком регулировании частоты вращения вен-
। ильных двигателей усложняется схема регулирования и растут потери в
коммутаторе.

Характерной особенностью вентильных двигателей, отличающей их
I двигателей постоянного тока, является наличие дополнительного кана-
,.п управления по углу синхронизации инвертора. Этот канал использует-
I для обеспечения необходимой жесткости механической характеристи-
«и и достижения большей перегрузочной способности.

Вентильные двигатели применяются и в приводах небольшой мощ-
ное ги, где нежелательно применение механического коммутатора (проиг-
рыватели, приборы магнитной записи и др.).

Вентильные двигатели большой мощности нашли применение там,
 ле ранее использовались нерегулируемые асинхронные или синхронные
цшгатели. Выполнены вентильные двигатели мощностью 1600 кВт с ре-
р пированием частоты вращения для привода компрессоров холодильных
п|пин и насосов циркуляционных систем.

Особенно удачным является применение вентильных двигателей в
цинической электромеханике. Наличие сети постоянного тока и основ-
ное требование к двигателям — надежность и большой срок службы
пьеспечили широкое применение бесконтактным двигателям постоянного
ока (БДПТ). На космических летательных аппаратах используют три
1>пи БДПТ, работающие, практически, на всех искусственных спутни-
>114 Земли. Если в земных условиях основным двигателем является асин-
хронный двигатель, то в Космосе — БДПТ [5].
5.14.	Машины постоянного тока, выпускаемые в
России и странах СНГ

В истории развития машин постоянного тока было два периода,
гда предполагали, что они не будут выпускаться промышленностью. 11 р
вый период относится к началу нашего века, когда победное шестви в пн
ременного тока, казалось, вытеснит постоянный ток и останутся толми
машины переменного тока. Второй период относится к 30-45-лет н₽н
давности, когда стремительное развитие полущи водниковой текил»и
казалось, должно было вытеснить механический щ гобр ователь частоты
коллектор и машины постоянного тока в классической конструкции и
будут выпускаться. Однако развитие электромашиностроения опровср) fl
эти предположения.

Машины постоянного тока благодаря экономичному регулировали'
частоты вращения, благоприятным механическим характеристикам поя*
лению новых источников постоянного тока нашли новые области прим» I
нения и выдержали конкуренцию с машинами переменного тока.

Основные серии машин постоянного тока общего назначения 211 и
4П. Помимо этих серий выпускаются серии краново-металлургичссы
двигателей и серии специализированного назначения [12].

Серия 2П включает двигатели мощность! от 0,13 до 200 кВт с вьи и
той оси вращения 90—135 мм. Для замены двигателей серии П габарит»
12—26 выпускается серия П2.

Разработана новая серия машин постоянного тока 4П, которая име**
лучшие технико-экономические показатели и использует некоторые у ihw
и детали асинхронных двигателей серии 4А.

Двигатели серии 2П и 4П выпускаются на напряжения 110, 220, НО
и 440 В, на номинальные частоты вращения 750, 1000, 1500, 2200 и 3tXh
об/мин. Машины выполняются в защищенном исполнении с самоветн
ляцией и независимой вентиляцией от постороннего вентилятора; и «я
крытом исполнении — с естественным охлаждением и наружным обду
вом от постороннего вентилятора.

Двигател [ серии 2П имеют независимое возбуждение и компепслцп
онную обмотку, обеспечивающую большие кратковременные перегрузи
и широкий диапазон изменения частоты вращения.

Для металлургических, крановых, экскаваторных и других элем ри
приводи выпускаются двигатели постоянного тока серии Д. Двиг;и пн
имеют мощность от 2,5 до 185 кВт, напряжение 220 и 440 В и номинп th
ную частоту вращения 400—1440 об/мин. Масса двигателя мощном мн
2,5 кВт 130 кг, а двигателя 185 кВт — 3745 кг.
Двигатели серии Д обладают малым моментом инерции и обеспечи-
пают регулирование частоты вращения в широких пределах. Максималь-
ная частота вращения примерно в 3 раза выше номинальной.

Для горнодобывающей металлургической и других отраслей промыш-
нснности выпускаюгея уникальные машины постоянного тока.

Для электроприводов шагающих экскаваторов с ковшом объемом
ui 15 до 100 м3 и стрелой до 100 м разработан комплекс электрообо-
рудования, включающий двигатели и генераторы постоянного тока. В
комплекс входят, электродвигатель постоянного тока вертикального
исполнения типа МПВЭ-450-29 для привода механизма вращения
мощностью 450 кВт напряжением 370 В, частотой вращения 29
ib/мин, массой 36 т; электродвигатель типа МПЭ-1000-630 УХЛЗ в
юризонтальном исполнении для привода механизма подъема и тяги
мощностью 1000 кВт, напряжением 600 В, частотой вращения
ь 30/1000 об/мин, массой 8460 кг. Генераторы постоянного тока ГПЭ-
1250 обеспечивают питание главных приводов постоянного тока.
Мощность генеоатора 1250 кВт, напряжение 930 В, частота вращения
1000 об/мин, масса 14 т.

Для буровых установок выпущен двигатель типа ДЭВ-808 мощно-
гью 68 кВт, U= 440 В, и = 1200 об/мин, масса 920 кг. Для морских буро-
Ш.1Х установок в морском взрывозащищенном исполнении создан двига-
|ель типа МПП-IOOO-IOOOMj мощностью 1000 кВт, U = 600 В; п = 1000
<>(>/мин, массой 62500 кг.

Для привода автосамосвала БелАЗ-7519 грузоподъемностью ПО т
пыпускается тяговый двигатель мотор-голеса, который встраивается в
пневматические колеса автосамосвала и крепится к его шасси при помо-
щи фланца на станине. Мощность двигателя 360 кВт, U = 750 В, п = 1100
ь/мин, масса 2050 кг.

Создан тяговый генератор типа ГПА-600 для питания тяговых двига-
н-лей мотор-колеса. Мощность генератора 630 кВт, масса 2480 кг.

Для электровозов и тепловозов выпускаются тяговые двигатели
м< дностью до 8 МВт. Для мощных ледоколов, прокатных станов изго-
пшливаются двигатели постоянного тока до 30 МВт в двух-, трех- и че-
||. оехъякорном исполнениях. Большое число различных типов двигате-
лей постоянного тока выпускается для летательных аппаратов, автомоби-
лей и тракторов.

Микродвигатели постоянного тока изготовляются несколькими се-
риями. Серия ПЛ включает двигатели независимого возбуждения мощно-
1ыо от 30 до 600 Вт, напряжением ПО и 220 В и частотой вращения
1'100 и 2700 об/мин.

Микродвигатели постоянного тока с постоянными магнитами входят
। иерию Д11М от долей ватта до десятков ватт, напряжением 12,14 и 27 В.
Малоинерционные исполнительные микродвигатели постоянного ш
ка имеют якорь, выполненный в виде полого цилиндра или диска с пени
ной обмоткой. Эти двигатели с постоянными магнитами объединяю к •
серией ДПР. Машины серии ДПР могут применяться в качестве тахо1-
нераторов.

Выпускается большое количество двигателей постоянного тока дч«
детских игрушек с питанием от батареи 4 В.

Выпускаются универсальные коллекторные двигатели серий УН,
УМТ и МУН, работающие на постоянном и переменном токе. Мощней
универсальных двигателей от 10 до 600 Вт.

Предполагается, что в ближайшие годы число модификаций двш п*
лей постоянного тока увеличится. Более подробные данные приведены в 11Л
Глава шестая

КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

6.1	. Электромеханическое преобразование энергии
в коллекторных машинах переменного тока

Коллекторные машины переменного тока подсоединяются к сети пе-
ременного тока (рис. 6.1). Неизменная частота сети/; преобразователем
частоты ПЧ преобразуется в изменяющуюся частоту/= var. За счет изме-
нения частоты в коллекторных двигателях переменного тока обеспечива-
ется регулирование частоты вращения в широких пределах.

Коллекторные машины переменного тока применяются в регулируе-
мых приводах переменного тока для получения частоты вращения выше
< инхронной частоты вращения поля. В настоящее время коллекторные
машины переменного тока находят наибольшее применение в однофаз-
ных сетях для привода бытовых приборов.

В некоторых западноевропейских странах коллекторные двигатели пе-
ременного тока используются в настоящее время в качестве тяговых двига-
гелей. Трехфазные коллекторные двигатели переменного тока выпускаются
и небольших количествах мощностью в десятки и сотни киловатт.

Основным недостатком коллекторных машин переменного тока дв-

инется плохая коммута-
ция. Механический пре-
образователь частоты —
коллектор в этих маши-
нах работает в режиме
преобразования перемен-
ного тока в переменный
юк регулируемой часто-
1ы. Непосредственное пре-
ооразование переменного
юка в переменный ток
другой частоты без про-
межуточного звена по-
 гоянного тока осу-

Рис. 6.1. Схема коллекторной машины переменно-
го тока
ществляется довольно сложно, как в механическом преобразователе чих1
тоты, так и в полупроводниковом преобразователе частоты.

Коллекторные машины переменного тока из модели обобщенной мшпн
ны получаются, если многофазную обмотку якоря привести к двухфазной а
на преобразователь частоты подать переменный ток (см. рис. 1.32).

В воздушном зазоре коллекторной машины переменного тока пои»
основной гармоники ротора и статора неподвижны относительно дру»
друга и существуют бесконечные спектры высших гармоник, поля юно
рых перемещаются относительно друг друга. Подобная картина поаа(
существует в воздушном зазоре и других типов электрических машин,

Дифференциальные уравнения коллекторных машин перемокших
тока могут быть записаны в виде (1.100)—(1.111). Однако динамике мн
лекторных двигателей переменного тока посвящено небольшое ч№*
работ, а при проектировании используются более простые формулы, М
как геометрия коллекторного двигателя переменного тока, в ochouikm
определяется коммутацией.

Коллекторные двигатели переменного тока получили наиболынм
распространение и развитие в начале нашего века. Были предложены w
сятки оригинальных схем коллекторных двигателей переменного токи Й
последние десятилетия коллекторные двигатели переменного тока им i«*
няются регулируемыми приводами с асинхронными и синхронными дни
гателями. Трудоемкость изготовления коллектора и плохая коммуuutiw
ограничивают применение коллекторных двигателей переменного ток* 1

Большой вклад в развитие теории коллекторных двигателей it i*
менного тока внесли Г. Гергее, И. Дери, Д. А. Завалишин, М. П. Кос «и
ко, М. Латур, Э. Томсон, Р. Рихтер, К. И. Шенфер и др. [16].

6.2.	Трехфазные коллекторные двигатели

Наибольшее распространение среди трехфазных коллекторных
гателей получили трехфазные коллекторные двигатели с параллельны.!
возбуждением с двойным комплектом щеток, например двигпС»*
Шраге—Рихтера (рис. 6.2). Этот двигатель был предложен в 1910 г, ни*
ти одновременно Шраге и Рихтером.

Конструкция двигателя Шраге—Рихтера сходна с конструмнМ
асинхронного двигателя с фазным ротором. Отличие состоит в том чп1 к
пазах ротора располагается вторая многофазная обмотка, секции ксно|ц*
выводятся на коллектор. Двигатель позволяет регулировать частоту п|<а
щения в широких пределах за счет введения в цепь вторичной обмппа
добавочной ЭДС +АЕ.
Трехфазное напряжение сети
срез щетки и кольца подводится
к фазной обмотке ротора 1. В па-
wx ротора располагается вторая
обмотка 2 — двухслойная, мно-
>фазная, секции которой выве-
гны на коллектор 3. На коллек-
lupe находятся три пары щеток, к
которым подключены три фазы
Ьбмотки статора 4. Обмотка ста-
и>ра — обычная двухслойная или
однослойная обмотка, располо-
жи. 1ая в пазах. Конструкция
шнины — обращенная, вторич-
чин обмотка расположена на ста-
»ире, а напряжение подводится к
о юру.

Магнитное поле, созданное обмоткой ротора в воздушном зазоре,
рпщается в сторону, противоположную вращению ротора, и наводит в
обмотке статора ЭДС скольжения /j = f2s. С обмотки ротора 2, выве-
шюй на коллектор через щетки, также снимается ЭДС скольжения
/, = = f2s . Амплитуда этой ЭДС зависит от того, насколько раздвинуты
«пки (рис. 6.3). Когда щетки занимают положение показанное на рис.
J. а, АЕ вычитается из ЭДС Ё15 наводимой в обмотке статора. Когда

сложения щеток совпадают (рис. 6.3, б) &Е = 0. При положении щеток,
сказанном на рис. 6.3, в, ЭДС ДЕ складывается с Ё,.

Если ДЕ вычитается, ЭДС Et уменьшается, что приводит к умень-

шению тока /, и снижению частоты вращения. Когда ДЁ = О, двигатель
^йки ает как асинхронный двигатель. При положении щеток, соответст-
цкчцем рис. 6.3, е, АЕ складывается с Ё, и частота вращения становится
пне синхронной. Перемещение щеток по коллектору осуществляется меха-

•*И1. 6.3. Регулирование ДЕ путем изменения
»иня.ения щеток

низмом, который вращается
вручную или с помощью
приводного двигателя.

Введение добавочной
ЭДС в цепь статора позво-
ляет регулировать и реак-
тивную мощность. Для
этого щетки смещаются
Рис. 6.4. Регулирование cos ср путем несим-
метричного изменения положения щеток

несимметрично (рис. 6.4). 11ра
этом ЛЕ вводится под I
лом к Ё}, что приводи! ।
изменению реактивной t к
ставляющей тока f и шм»
нению cos ср двигателя.

Рабочие характерно in* и

двигателя Шраге—Рихтера сходны с характеристиками асинхронно* 
двигателя. Пуск в ход осуществляется прямым включением в сеть.

Для составления уравнений электромеханического преобразована

энергии в таком двигателе можно воспользоваться уравнениями ним
хронной машины. При этом необходимо учесть наличие во вторпчыь
обмотке ЭДС ЛЕ , увеличение сопротивления за счет обмотки 2 (рис. 6.7) |
дополнительную МДС от тока, протекающего во вторичной обмотке

Коммутация в коллекторных двигателях переменного тока отличи» i
ся от коммутации машин постоянного тока, так как наряду с реакпшик»
ЭДС в коммутируемых секциях наводится трансформаторная ЭДС ш М
ствие изменения основного потока. Трансформаторная ЭДС зависш
нагрузки и сдвинута по фазе относительно реактивной ЭДС.

В большинстве типов коллекторных двигателей переменного шм
добавочные полюсы не применяются, так как коммутация происходи! •
зоне рабочего поля и скомпенсировать трансформаторную ЭДС не удаен и

Двигатели Шраге—Рихтера выполняются мощностью 1,5—250
пределами регулирования частоты вращения 2:1 или 4:1. Наличие трех i<

щеток, затрудненная коммутация и ручное управление ограничивают ii|»i« I

нение таких двигателей. В СССР двигатели Шраге—Рихтера электрозсмниш

ской промышленностью не выпускались.

Трехфазные коллекторные двигатели с
параллельным возбуждением с питанием
через статор. Эти двигатели обладают теми
же характеристиками, что и двигатели Шра-
ге—Рихтера, но ЭДС ДЁ вводится в цепь ро-
тора с помощью трансформатора с регулируе-
мым вторичным напряжением или с помощью
индукционного регулятора (рис. 6.5). Обмотка
статора 7, который ничем не отличается от
статора асинхронной машины, присоединена к
сети 77ь Ii. На роторе имеется многофазная
обмотка 2 с секциями, выведенными на кол-
лектор. В роторе наводится ЭДС частотой^ =fs.

Vi.fi

Рис. 6.5. Трехфашып ><«•
лекторный двигщекк <
параллельным воз(Ч »
нием
Добавочная ЭДС вводится с помощью регу-
шровочного устройства 3.

Для улучшения коммутации иногда уста-
навливают вместо трех щеток шесть, т.е. при-
меняют вместо трехфазной системы регулиро-
мния ЭДС ДЕ шестифазную. Это снижает ток
физы ротора и уменьшает реактивную ЭДС.

Трехфазные коллекторные двигатели по-
едовательного возбуждения имеют последо-
инельно соединенные обмотки статора и ро-
юра (рис. 6.6). Регулирование частоты враще-
ния осуществляется путем поворота щеток или
• пленения подводимого напряжения. Механи-
« гкие характеристики такого двигателя сход-

Рис. 6.6. Трехфазный кол-
лекторный двигатель после-
довательного возбуждения

нм с характеристиками двигателя последовательного возбуждения.

В зависимости от положения щеток ротор двигателя может вращать-

н1 как в сторону вращения поля, так и против поля.

Как и во всех асинхронных двигателях, в коллекторных двигателях пе-
ченного тока, электрическая мощность, забираемая из сети, передается
ршцающимся полем на ротор. Часть этой мощности Рэм(1 - s) преобразуется

) механическую мощность. В асинхронных двигателях мощность P3Us преоб-
* пустея в тепло. В коллекторных двигателях переменного тока эта часть
мощности через коллектор, преобразующий частоту скольжения в частоту
ми, снова отдается в сеть. Таким образом, введение в конструкцию машины
|гчанического преобразователя частоты — коллектора обеспечивает эко-

6.7. Компенсированный трех-
..... асинхронный двигатель с
Ьиппием со сторона статора

номичную работу машины за счет отда-
чи энергии скольжения в сеть.

Компенсированные трехфазные
асинхронные двигатели. В этих ма-
шинах, являющихся разновидностью
коллекторных машин параллельного
возбуждения, дополнительная ЭДС
ДЕ вводится в цепь ротора для регу-
лирования коэффициента мощности.
При этом коллекторная обмотка и кол-
лектор рассчитываются на небольшую
мощность. Компенсированные двига-
тели выполняются с питанием со сто-

роны статора или ротора.

На рис. 6.7 представлена схема
машины с питанием со стороны стато-
Рис. 6.8. Компенсированный
коллекторный трехфазный дви-
гатель с питанием со стороны
ротора

ра. На статоре расположена главная оП
мотка 1 и вспомогательная 2 с меньшим
числом витков для питания коллекторний
обмотки 3. На роторе, кроме коллекпц!
ной обмотки, в тех же пазах pacnonaimi
ся фазная или короткозамкнутая обмен
4 асинхронной машины.

Щетки на коллекторе устанавлиьи
ются таким образом, чтобы ЭДС М
опережала ЭДС скольжения sE2. При
этих условиях намагничивающий lok
компенсирует сдвиг фаз между С7, и *

первичной обмотке и машина можи |н
ботать при cosepj = 1.

К. И. Шенфер предложил исполни
вать в качестве вторичной обмотки м«.
сивный ротор с профрезерованными и»

зами, в которые укладывается коллекторная обмотка.

Схема компенсированного коллекторного двигателя с питанием «и
стороны ротора показана на рис. 6.8. На статоре имеется одна обмон)-
соединенная с коллектором. На роторе располагаются две обмотки

главная и вспомогательная.

Коллектор, как видно из рассмотренных выше схем электричек  и •
машин, вместе с подключенной к нему обмоткой может быть источник!
реактивной мощности. Компенсированные асинхронные машины моЫ
работать с cos ф = 1.

В начале века были предложены десятки схем компенсировании'
коллекторных двигателей переменного тока. Одной из распрострапешнИ
машин была явнополюсная трехфазная компенсированная коплен i пр
ная машина, предложенная А. Шербиусом, двигатель М. П. Костгин
и Н. С. Япольского и др. [16].

Хотя трехфазные коллекторные машины в настоящее время iiaxiuiii
небольшое применение, рабочие процессы в них имеют важное значки*
для понимания электромеханического преобразования энергии. В пшр
менных электроприводах широко применяются полупроводниковые пр»
образователи частоты, которые заменяют механический преобразонан<
частоты — коллектор. Знание коллекторных машин дает возможно ••
лучше разобраться в работе полупроводниковых преобразователей >•
вместно с электрическими машинами.
6.3.	Однофазные коллекторные двигатели

Однофазные коллекторные двигатели широко применяются в быто-
вых электроприборах (полотерах, пылесосах, ручном инструменте, сти-
ральных машинах и др.). Обычно их мощность не превышает сотен ватт,
а частота вращения доходит до 30 000 об/мин.

Однофазные последовательные коллекторные двигатели (рис. 6.9)
имеют сосредоточенную обмотку возбуждения ОВ, расположенную на
чвневыраженных полюсах и соединенную последовательно с многофаз-
ной обмоткой якоря Я, секции которой присоединены к коллектору. Для
тижения потерь в стали статор и ротор выполняются шихтованными.
Конструкция однофазных коллекторных двигателей сходна с конструкци-
ей двигателей постоянного тока последовательного возбуждения.

В однофазных коллекторных двигателях последовательного возбуж-
цсния поток возбуждения Ф и ток i почти совпадают по фазе (рис. 6.10).
Поэтому при изменении направления тока и потока электромагнитный
момент имеет небольшую отрицательную часть, а средний момент в дви-
птеле тем больше, чем меньше сдвиг по фазе между i и Ф. Так как по-
i ясдовательная обмотка возбуждения имеет малое число витков, ее ин-
дуктивное сопротивление небольшое. Однофазные коллекторные двига-
вши параллельного возбуждения не находят применения, так как обмотка
тнбуждения с большим числом витков имеет большое индуктивное со-
противление.

Для однофазного коллекторного двигателя можно записать следую-
щее уравнение:

U = E+rl+jxi,	(6.1)

ще х = ха + х, —сумма индуктивных сопротивлений якоря и обмотки
возбуждения; г — активное сопротивление обмотки якоря и обмотки воз-
буждения.

Уравнение (6.1) отличается от уравнения напряжения двигателя по-
< шянного тока последовательного возбуждения наличием члена jxl .

Рис. 6.10. Электромагнитный момент
в коллекторных двигателях

'не. 6.9. Однофазный коллекторный дви-

ниель последовательного возбуждения
Рис. 6.11. Векторная диаграмма одно-
фазного коллекторного двигателя

Рис. 6.12. Коллекторный двигатель с
компенсационной обмоткой и доба-
вочными полюсами

Для (6.1) может быть построена векторная диаграмма (рис. 6.11). >
однофазных коллекторных двигателей costp ® 0,7+0,95. Механически
характеристики сходны с механическими характеристиками двигатеш
постоянного тока последовательного возбуждения. Регулирование чаек»
ты вращения осуществляется путем изменения подводимого напряжепт
или шунтирования обмотки возбуждения или якоря.

В коммутируемых секциях обмотки якоря наводится реактивная ЭД(
ег и трансформаторная ЭДС ет. Реактивная ЭДС зависит от частоты ври
щения и нагрузки. Трансформаторная ЭДС наводится в коммутируемо*
секции за счет изменения потока. Трансформаторная ЭДС и реактивив
ЭДС сдвинуты на 90°. Наличие трансформаторной ЭДС ухудшает комм>
тацию коллекторных двигателей переменного тока.

Двигатели небольшой мощности выполняются без добавочны»
полюсов. Для улучшения коммутации коллекторные двигатели nii
полняются с компенсационной обмоткой КО и добавочными полки»
ми ДП (рис. 6.12). Добавочные полюсы в коллекторных машинах *
могут скомпенсировать ег и ет во всех режимах работы, и коммутищн
в коллекторных двигателях переменного тока хуже, чем в машине»
постоянного тока.

Компенсационная обмотка уменьшает индуктивное сопротивлеит
машины, так как она компенсирует поток реакции якоря и умении»
потокосцепление. Уменьшение индуктивного сопротивления двипп >

приводит к повышению coscp.

В двигателях небольшой мощности компенсационная обмотка 0
средоточенная, а в двигателях большой мощности — распределенная.

Мощные коллекторные двигатели мощностью до 1500 кВт при
няются в качестве тяговых в ряде западноевропейских стран. Прн i в
частота переменного тока 162/3 или 25 Гц. В нашей стране элскт|нн«»
осуществляется на постоянном и переменном токе. На железных дорш®
электрифицированных на переменном токе 25+30 кВ, на элек громи®
572
Рис. 6.13. Репульсион-
ный двигатель

устанавливаются понижающие трансформаторы и
выпрямители, питающие тяговые двигатели по-
гоянного тока.

Так как конструкции однофазных коллектор-
ных двигателей и двигателей постоянного тока
последовательного возбуждения близки друг к
ругу, выпускаются универсальные коллекторные
цнигатели, которые могут работать на перемен-
ном и постоянном токе. -Для получения примерно
lex же характеристик на постоянном и перемен-
ном токе необходимо переключить отпайки на
обмотке возбуждения. При работе на перемен-
ном токе при одинаковых питающих напряже-
ниях надо уменьшить число витков обмотки
по «буждения.

Коллекторные двигатели переменного тока, как и двигатели посто-
янного тока, являются источником радиопомех. Для уменьшения радио-
помех обмотка возбуждения делится на две части и конденсаторы вклю-
'1Н1ОТСЯ между выводными концами и корпусом (см. рис. 5.45).

Репульсионные двигатели. Это однофазные коллекторные двига-
1гчи, в которых обмотка якоря не имеет электрической связи с обмоткой
побуждения, а энергия на ротор передается трансформаторным путем
(рис. 6.13). Регулирование частоты вращения производится поворотом
пыток. Репульсионные двигатели строились на мощности в несколько
к ятков киловатт.

При а = 0, когда ось щеток совпадает с направлением потока Ф , в якоре
ппподигся максимальный ток /2, но момент равен нулю, так как прямое, и

•ратное поля в воздушном зазоре создают одинаковые моменты и и = 0. При

Гис. 6.14. Связь направления вращения репуль-
finimoro двигателя с положением щеток

а = 90° ток в якоре 12 = 0,
и момент также равен ну-
лю. При угле а * 0 и
а * 90° репульсионный
двигатель развивает мо-
мент. Номинальный мо-
мент двигатель развивает
при а = 15-5-25°. В зависи-
мости от смещения щеток к
оси потока ротор двигателя
вращается по часовой
стрелке или против часовой
стрелки (рис. 6.14).
Рис. 6.15. Репульсионный
двигатель с двойным ком-
плектом щеток

Репульсионные двигатели выполняются
двойным комплектом щеток (рис. 6.15). Двой
ной комплект щеток позволяет уменьшить ink
1г под щеткой, а также более плавно регули
ровать частоту вращения. Щетки могут попе»
рачиваться одновременно или одна пара щеток
неподвижная, а другая — поворачивается. Рг
пульсионные двигатели с двойным комплся
том щеток изготовляются на большую мощ
ность, чем с одним комплектом щеток.

В репульсионных двигателях применяет i
компенсационная обмотка, которая соединяй!
ря последовательно с обмоткой возбуждения
Добавочные полюсы в репульсионных двигп
телях не применяются, так как ось щеток пс

ремещается.

Краткое рассмотрение коллекторных двигателей переменного тока
демонстрирует их богатые возможности применения и расширяет пред
ставления об электромеханическом преобразовании энергии.
Глава седьмая
КАСКАДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.

ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

7.1.	Каскадные соединения асинхронной машины с
коллекторными машинами

Коллекторные машины позволяют регулировать амплитуду и фазу
)ДС А£, вводимую в цепь ротора асинхронной машины, и экономично
регулировать частоту вращения и coscp асинхронного двигателя. Соеди-
нение асинхронной машины с коллекторной машиной называют каскад-
ным, поскольку электрические и механические цепи соединяются, обра-
<уя две ступени (два каскада) в единой схеме электромеханического пре-
образования энергии. При этом асинхронная машина имеет большую
мощность и называется главной машиной, а коллекторная рассчитывается
на меныпую мощность, зависящую от пределов изменения частоты вра-
щения, и называется вспомогательной.

Различают два вида каскадов — электромеханические и электриче-
ские. В электромеханических каскадах ротор главной машины имеет ме-
ханическую и электрическую связь с вспомогательной машиной. В элек-
|рических каскадах ротор главной машины имеет только электрическую
связь с вспомогательной машиной.

Для регулирования ре-
активной мощности, по-
|ребляемой из сети асин-
хронным двигателем, при-
меняется каскад с возбуди-
телем Леблана—Шербиуса
(рис. 7.1). Асинхронный дви-
штель с фазным ротором
Щ присоединен к сети C/l5
А. Обмотка ротора через
щетки и кольца присоеди-

Рис. 7.1. Каскад с возбудителем Леблана—

Шербиуса
Рис. 7.2. Конструкция
возбудителя Леблана—
Шербиуса

йена к возбудителю ВК, имеющему коллектор и
три щетки. Возбудитель вращается приводным
двигателем Д. С коллектора возбудителя сними
ется ЭДС ДЕ , которая вводится с опережением |
цепь ротора, cos <р двигателя при этом улучшается

Возбудитель не связан механически с асин
хронным двигателем, поэтому этот каскад элек

трический.

Возбудитель Леблана—Шербиуса отличав i
ся от других машин тем, что он не имеет статор-1
В заглубленных пазах ротора укладывается двух-

слойная обмотка, секции которой выведены на коллектор (рис. 7.2). Point
возбудителя удобно выполнять из двух частей: внутренней с открытыми
пазами 1 и внешнего кольца 2, которое закрывает пазы.

Ток 12, замыкающийся в роторе асинхронного двигателя и возбуди
теля, создает в роторе возбудителя вращающееся поле, силовые линии
которого замыкаются по стали ротора возбудителя (рис. 7.2). Час го. i
вращения поля при неподвижном роторе возбудителя

„ _60/1S

"о ~
А

(7.1)

где рв — число пар полюсов возбудителя; s — скольжение асинхронно! о
двигателя.

Если ротор возбудителя вращать, то частота на неподвижных щетках
будет зависеть от «о и частоты вращения ротора возбудителя

_и0±и,
«о

где пв — частота вращения ротора возбудителя.
При этом

А£ = ji'2s,xac,

(7.?)

(73)

где хкас — индуктивное сопротивление каскада, которое включает индух
тивные сопротивления фазы асинхронного двигателя и возбудителя.

При пв > «о ДЕ опережает ток /' и происходит компенсация сдвш л
фаз асинхронной машины, что иллюстрируется векторной диаграммой
рис. 7.3. Ток в роторе 1'2 совпадает с результирующей ЭДС Е'г + ДЁ, чго
приводит к смещению тока в статоре Г, и улучшению cos фр Как следуй
из векторной диаграммы, при достаточно большом ДЕ возможна работа
асинхронного двигателя с опережающим cos фр Для этого надо увеличь
вать габариты возбудителя. Возбудитель, кото-
рый применяется для улучшения cos <р, называ-
ется фазокомпенсатором. Недостатком таких
каскадных схем является плохая коммутация
щеток возбудителя. Такие каскады могут быть
заменены синхронными двигателями.

Конструкции возбудителей весьма разно-
образны. Одним из оригинальных возбудите-
лей является возбудитель Шербиуса—Лидаля.
Этот возбудитель имеет статор с явновыражен-
ными полюсами, на которых размещена сосре-
доточенная трехфазная обмотка возбуждения.
На якоре в пазах располагается многофазная
обмотка, секции которой выведены на коллек-
тор. Для улучшения коммутации на статоре
располагается компенсационная обмотка.
Электродвижущая сила на щетках якоря ДЕ в
зависимости от положения щеток может нахо-

Рис. 7.3. Векторная диа-
грамма асинхронной ма-
шины в каскаде Лебла-
на—Шербиуса

диться в фазе или противофазе с Ё'2, Таким образом, так же, как и в кас-

каде с возбудителем Леблана—Шербиуса, можно регулировать cos <р.

В каскадных соединениях применяются компенсированные и неком-
пенсированные преобразователи частоты для регулирования частоты

вращения.

На рис. 7.4 показана схема электромеханического каскада основной
асинхронной машины АД и коллекторной машины К. При частотах вра-
щения ниже синхронной часть мощности ротора главной машины пере-
дается в виде электрической мощности коллекторной машине и преобра-
зуется коллекторной машиной в механическую мощность. Таким обра-
зом, в электромеханических каскадах вся мощность, забираемая из сети,
преобразуется в механическую мощность и в тепло (потери в основной и

Рис. 7.4. Электромеханический каскад
с коллекторной машиной

вспомогательной машинах).

Энергетическая диаграмма
электромеханического каскада с
коллекторной машиной представле-
на на рис. 7.5. Мощность в воздуш-
ном зазоре основной машины Р12
равна мощности, забираемой из се-
ти, минус потери в статоре АД.
Мощность ДР, передаваемая кол-
лекторной машине за вычетом по-
терь в коллекторной машине, пере-
Рис. 7.5. Энергетическая диаграмма электроме-
ханического каскада

дается на общий вал. По
лезная мощность, преобра
зуемая в механическую 7’2,
складывается из мощное ти
основной машины и кол
лекторной.

Момент вращения кас
када

Мж=М..а±Мк, (7.4)

где Л/ад — момент основ
ной машины; Мк — момент
коллекторной машины.

Знак «+» соответствует работе коллекторной машины в режиме дви
гателя, знак «-» — в режиме генератора.

С помощью каскадных схем регулируют частоту вращения. Чтобы
изменить скольжение на необходимо вводить значение &Е, пропор-
циональное требуемому изменению скольжения. Известны десятки кас
кадных схем, обеспечивающих экономичное регулирование частоты вра

щения и cos гр.

В последние десятилетия в связи с развитием полупроводниковой
техники механические преобразователи частоты заменяются тиристор
ными и транзисторными преобразователями частоты.

На рис. 7.6—7.8 представлены принципиальные схемы электрома-
шинных каскадных соединений с полупроводниковыми преобразователя-
ми частоты. Наиболее простая схема с рекуперацией энергии скольжения
в сеть представлена на рис. 7.6. Энергия скольжения с частотой f2 вы
прямляется выпрямителем В в энергию постоянного тока, а затем преоб
разователем частоты преобразуется в частоту сети и через трансформатор
возвращается в сеть. В этой схеме преобразователь имеет явновыражеи
ное звено постоянного тока.

Рис. 7.6. Электромеханический каскад с
полупроводниковым преобразователем

Рис. 7.7. Электромеханический каскад С
вспомогательным асинхронным двигалогы
На рис. 7.7 дана принципи-
альная схема электромеханиче-
ского каскада с основным асин-
хронным двигателем АД} и вспо-
могательным АД2, который пита-
ется от преобразователя частоты
напряжением U3 и частотой f3.
Преобразователь может иметь

явновыраженное звено постоян- Рис. 7.8. Электромеханический каскад с
ного тока или работать в режиме двигателем постоянного тока
преобразования частоты скольже-

ния в частоту

В электромеханическом каскаде с двигателем постоянного тока ДПТ
мощность скольжения выпрямляется и постоянное напряжение подается
на коллектор двигателя постоянного тока (рис. 7.8).

Каждая схема имеет свои преимущества и недостатки, и нельзя, так
же, как и в коллекторных каскадах, выбрать одну схему и этим ограни-
читься.

Каскадные схемы не находят большого применения из-за высокой
стоимости, больших габаритов и массы полупроводниковых преобразова-
телей частоты.

Каскадные схемы дают возможность в основном асинхронном двига-
теле работать с cos ср, близким к единице, и обеспечивают экономичное
регулирование частоты вращения.

7.2.	Электромашинные преобразователи

Электрическую энергию одного вида можно преобразовать в элек-
трическую энергию другого вида не только с помощью статических пре-
образователей (трансформаторов, полупроводниковых преобразовате-
лей), но и вращающихся электрических машин.

Электромашинные преобразователи состоят из двух машин, соеди-
ненных механически. В таком агрегате одна машина работает двигателем,
а другая — генератором. Система двигатель—генератор, состоящая из
двух машин постоянного тока, позволяет преобразовать постоянный ток
одного напряжения в постоянный ток другого напряжения (рис. 7.9, а). С
помощью двигателя постоянного тока и генератора переменного тока
постоянный ток преобразуется в переменный (рис. 7.9, б). Если в режиме
двигателя работает машина переменного тока, а в генераторном — ма-
шина постоянного тока, происходит преобразование переменного тока в
Рис. 7.9. Электромашинные преобразователи

постоянный (рис. 7.9, «).
С помощью двух машин
переменного тока преобри
зуется переменный ток од-
ного напряжения и част»
ты в переменный ток Дру
гого напряжения, частоты
и числа фаз (рис. 7.9, г).

Двухмашинные агре-
гаты для преобразования

переменного тока в по
стоянный и обратно выпускаются промышленностью. Преимущество
электромашинных преобразователей перед полупроводниковыми состош
в том, что они создают меньше высших гармоник и обеспечивают элек-
троснабжение при кратковременных перерывах в питании на стороне
двигателя. За счет кинетической энергии, накопленной во вращающихся

частях, генератор может в течение некоторого времени отдавать энергию.
Недостаток электромашинных агрегатов — сравнительно низкий КПД,
равный произведению КПД двигателя и генератора, и большие габариты.

Для уменьшения габаритов двухмашинных агрегатов в некоторых
случаях целесообразно объединение двух агрегатов в один. При объеди-
нении двигателя постоянного тока и генератора постоянного тока (рис.
7.9, а) в пазы якоря укладываются две обмотки, которые выводятся на дпй
коллектора (рис 7.10). В одноякорный преобразователь входят общая об-
мотка возбуждения, магнитная система статора и общий корпус.

Такие машины применяются для преобразования низкого напряж»
ния постоянного тока в высокое напряжение постоянного тока, например
24 В — в 600 В. Эти преобразователи получили название умформеров. И
умформере между напряжениями и U2 имеется жесткая связь, так как и

машине имеется общий поток и об-
щий якорь:

£, ^ДбОДп,; N2a2

Е2 ( Мф N2a\ ’

V 60 Д а2 J

где М и М — числа витков в первой
и второй обмотках; и аг — числа
параллельных ветвей первой и вто-
рой обмоток. Отношение (7.5) сход-
но с коэффициентом трансформа-
ции, и умформер работает как пре-

Рис. 7.10. Умформер
образователь — трансформатор с вращающимися обмотками. Момент,
действующий на вал умформера, практически равен нулю, так как момент
машины, работающей в режиме двигателя, уравновешивается моментом
генератора.

Направление токов в обмотках якоря встречное (как в трансформа-
торе), так как одна машина работает в режиме двигателя, а вторая — в
режиме генератора. При объединении обмоток можно было бы получить
снижение массы меди. Однако электрическая связь между коллекторами
низшего и высшего напряжений недопустима. Если сделать напряжения
на обоих коллекторах одинаковыми, то при совмещении обмоток якоря
сечение общей обмотки будет стремиться к нулю как в автотрансформа-
торе при коэффициенте трансформации, равном единице. Сечение обмот-
ки будет определяться потерями в преобразователе. В идеальной машине
без потерь теоретически сечение совмещенной обмотки равно нулю.

Совмещение машин переменного тока по схеме рис. 7.9, г не дает
снижения массы активных материалов, так как потоки двух машин скла-
дываются, а электрическая связь между обмотками низшего и высшего
напряжений недопустима. Совмещение машин по схемам рис. 7.9, бив
рассмотрено в § 7.3.

Принципиально преобразование энергии в машине постоянного тока

не изменится, если якорь и коллектор сделать неподвижными, а вращать
обмотки возбуждения и щетки. Обычно из-за плохой коммутации вра-

щающиеся щетки и. неподвижный коллектор не применяются.

С помощью вращаю-
щихся щеток можно полу-
чить оригинальные преоб-
разователи. В 1924 г. в
Англии был построен пре-
образователь переменного
тока в постоянный, в кото-
ром для выпрямления пе-
ременного тока использо-
вались вращающиеся щет-
ки. Трансвертер, так назва-
ли его изобретатели, пред-
ставляет собой обращен-
ную машину постоянного
гока (рис. 7.11). Отпайки
вторичной обмотки шес-
гифазного трансформатора

Рис. 7.11. Трансвертер

присоединены к коллек-

торным пластинам, по ко-
торым скользят щетки. Коммутация происходит в момент, когда >Д< и
короткозамкнутой секции (двух соседних фазах трансформатора) (нш и и
к нулю. Щетки вращаются синхронным двигателем СД, мощность юн и
рого идет на покрытие потерь на трение на коллекторе. Постоянный in*
снимается щетками с двух колец, присоединенных к щеткам, прппши!
щимся по коллектору.

Трансвертер имел мощность 2000 кВт и преобразовывал переменим
напряжение 6,6 кВ частотой 50 Гц в постоянное напряжение НМ) *П
Трансвертер состоял из шести трехфазных масляных трансформатором, <
помощью которых создавалась 36-фазная вторичная система oOmohi*
выведенная на восемь неподвижных коллекторов. С каждых щеток < ни
малось напряжение 12 500 В.

В настоящее время преобразование переменного тока высшего ин
пряжения в постоянный ток и обратно осуществляется полупроводники
выми преобразователями и трансформаторами.

7.3.	Одноякорный преобразователь

Рис. 7.12. Одноякорный пре-
образователь

В одноякорном преобразователе (рис. 7.12) объединены в один Ш|«
гат синхронный двигатель и генератор постоянного тока. В пазах якоря
расположена двухслойная многофазная обмотка, секции которой выпел
ны на коллектор, а с противоположной стороны от обмотки выведены и
кольца в зависимости от числа фаз три или несколько отпаек. ОдноякорнмИ
преобразователь имеет общую магнитную систему и одну обмотку якоря.

Обычно он работает в режиме преобразования переменного 1окй •
постоянный. Кольца одноякорного преобразователя присоединяются *
сети переменного тока, со стороны переменного тока одноякорный прссй
разователь — обращенный синхронный и
гатель с неподвижной обмоткой возбуждении
и вращающейся обмоткой якоря, со сторонн
постоянного тока — одноякорный преобрпш
ватель — генератор постоянного тока.

Напряжение на выходе постоянного
тока жестко связано с напряжением па пи
роне переменного тока, так как между м>н
лектором и кольцами есть электричес *ии
связь (рис. 7.12).

Соотношение между ЭДС на щетких Ai
и амплитудой ЭДС на кольцах определят «
геометрическими соотношениями как »н
ношение диаметра к хорде:
л
г Sin —
Е1 =___w

е2 42 ’

। де т — число фаз,
<> шаек от обмотки

нпного тока или
колец.

Форма кривой

(7.6)

тока в

I, число
посто-
число

секциях одноякорного пре-
образователя зависит от
положения секции отно-
сительно щеток и колец,
нагрузки и cos ф на сторо-
не переменного тока.

На рис 7.13, а, б по-
казана форма тока в сек-
ции, находящейся на гео-
метрической нейтрали, и в

(£>t

Рис. 7.13. Форма тока в секциях одноякорного
преобразователя

секции, находящейся между щеткой и кольцом. Положение секций пока-
iano на рис. 7.14. Ток в секции от машины постоянного тока /2 изменяется
по прямоугольному закону. Ток в секции от синхронного двигателя ij —
синусоидальный. Так как одна машина работает в режиме двигателя, а
другая — в режиме генератора, мгновенные значения результирующего
юка i равны алгебраической сумме токов ц и z2 (рис. 7.13). Смещение токов z)
и z'j зависит также от cos ф, с которым работает синхронный двигатель.

На рис. 7.13, а и б представлены также зависимости Р от времени.
11ри совмещении обмоток якоря двигателя и генератора обеспечивается
снижение электрических потерь в якоре одноякорного преобразователя.
11отери в меди якоря определяются z^, в секциях.

Характер коммутации в одноякорном преобразователе приближается
к характеру коммутации в машине постоянного тока с компенсационной

1‘ис. 7.14. Схема одноякорного преобразователя

обмоткой. Для улучшения
коммутации применяются
дополнительные полюсы.

Пуск в ход одноякор-
ного преобразователя осу-
ществляется так же, как и
синхронного двигателя. На-
иболее распространен асин-
хронный пуск.
Рис. 7.15. Каскадная схема с одно-
якорным преобразователем

Чтобы регулировать напри*
ние на стороне постоянного ижи
нужно изменять напряжение ня
кольцах. Для этого надо в силон> in
цепь включить реактор или шин
трансформатор, что усложняет уг
тановку.

При изменении тока в обмен м
возбуждения изменяется costp. При
недовозбуждении одноякорны и
преобразователь забирает из iciu
реактивную мощность. При нер₽
возбуждении одноякорный преобри
зователь отдает в сеть реактивн,m
мощность. При преобразовании постоянного тока в переменный одно
якорный преобразователь работает как двигатель постоянного токи И
синхронный генератор. При регулировании частоты вращения двигатнпя
постоянного тока изменяется частота на выходе синхронного генератора
Одноякорный преобразователь может работать в качестве генератора
двойного тока, т.е. преобразовывать механическую энергию в электрич
скую энергию постоянного и переменного тока. В этом случае постони
ный /2 и переменный ц ток в якоре складываются и сечение обмотки мяо
ря необходимо увеличивать по сравнению с сечением обмотки при рабой
одноякорного преобразователя в качестве преобразователя.

Одноякорные преобразователи находят применение в каскадный
схемах. В схеме рис. 7.15 энергия скольжения асинхронного двигателя I /
преобразуется одноякорным преобразователем ОП в постоянный пж,
который подается на двигатель постоянного тока ДПТ, находящийся и |
одном валу с асинхронным двигателем. Обмотки возбуждения двиган: к
ОВД и одноякорного преобразователя ОВО обеспечивают расширении
пределов регулирования частоты вращения главного двигателя.

Рассмотрение электрических машин в начале книги мы начинали г
обобщенной машины. Заканчиваем рассмотрение индуктивных машин
одноякорным преобразователем, на базе которого может быть выполнена
обобщенная машина. Одноякорный преобразователь может работать кип
синхронная, асинхронная и коллекторная машина, таким образом, и гучпи
эту машину, можно изучать большинство электрических машин.
Глава восьмая
ЕМКОСТНЫЕ И ИНДУКТИВНО-ЕМКОСТНЫЕ
ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

8.1.	Емкостные электромеханические
преобразователи

Электротехническая промышленность изготавливает только индук-
швные машины. Теория индуктивных машин доведена до высокого со-
вершенства и почти весь объем данной книги посвящен машинам, в кото-
рых концентрация энергии происходит в магнитном поле.

В емкостных электромеханических преобразователях (ЭП) концен-
। рация энергии и электромеханическое преобразование энергии происхо-
дят в электрическом поле. Хотя емкостные электрические машины пол-
нились значительно раньше индуктивных, до сих пор они как силовые
>11, практически, не применяются.

В электротехнике существует теория дуально-инверсной электроди-
намики, которая утверждает, что уравнения электрического поля получа-
ются из уравнений магнитного поля путем дуально-инверсной замены [4]:

Электрическое поле
Q,

Электрический заряд
Фэ

Электрический поток
и

Напряжение
е

ЭДС

Магнитное поле
Qm
Магнитный заряд
Фм
Магнитный поток
i

Ток
F

МДС

Использование представления о магнитном заряде дает возможность
i имметрировать уравнения электромагнитного поля.

Теория емкостных машин, несмотря на усилия многих талантливых
ученых, не получила глубокого развития. Поэтому целесообразно перенес-
ти достижения в области теории индуктивных машин на емкостные чни
трические машины.

Для индуктивных электрических машин ЭДС

e = Blv,	(HI)

а для емкостных машин МДС

h-Dh),	(Н})

где D — индукция электрического поля или электрическое смещение; /
длина проводника в индуктивных машинах и ширина электрода в смксм ।
ных электрических машинах.

В индуктивных машинах электромеханическое преобразование ни р
гии происходит за счет изменения индуктивностей, токов и напряжении,
в емкостных машинах — за счет изменения емкостей, напряжений и и«
ков. Энергия электрического поля

W3 =0,5рГ£Ш,	(Н 

где Е — напряженность электрического поля.

Чтобы создать емкостную электрическую машину, надо сконцен1|>и
ровать энергию электрического поля. Если сконцентрировать энергий
электрического поля в вакууме или воздухе, то степень концентрвцин
энергии будет значительно ниже концентрации энергии магнитного тип
и создать электрическую емкостную машину, способную конкурировав,
индуктивной машиной, не удается.

Изменять емкость можно, изменяя площадь пластин конденсатора Л,
расстояние между пластинами х и диэлектрическую постоянную вещее i мн
е, находящегося между пластинами:

Пренебрегая потерями, силу, возникающую при изменении емко, ui
за счет изменения х, можно определить как

(J

dx

где Wu — энергия, доставляемая источником;

dWu=UdQ = U2dC,	(Hf.)

здесь Q — заряд на конденсаторе;

dQ-CdU.

Включая и отключая конденсатор от сети, можно обеспечить нп
правление мощности из сети или отдавать ее в сеть.
Располагая определенным образом
пластины конденсатора в пространстве и
tai игая напряжение во времени, можно,
как и для магнитного поля, получить
прощающееся электрическое поле (рис.
: I). Из трехфазной системы можно по-
лучить многофазные и двухфазные ем-
ко* гные электрические машины.

Емкостные ЭП, как и индуктивные,
целятся на синхронные, асинхронные,
мшлекторные ЭП и трансформаторы.

В синхронной емкостной машине
«л,, = юс. Для этого достаточно на элек-
 роды ротора подать постоянное напря-
жение (рис. 8.1). Чтобы получить асин-

оЛ

Рис. 8.1. Трехфазное вращаю-
щееся электрическое поле

кронную емкостную машину (сор * сос), надо в синхронной машине заме-

нить ротор, выполнив его в виде цилиндра из диэлектрика.

Емкостные трансформаторы получаются, если напряжение на кон-
денсаторах изменяется. Напряжение в емкостных машинах изменяется,
Q
пли при постоянном заряде Q изменять емкость конденсатора С = —.

I ели к обкладкам конденсаторов А, В, С подводить напряжения от ком-
mv гатора (коллектора), можно получить коллекторные емкостные элек-
 рические машины.

Так же, как для индуктивных машин, можно ввести представление об
оЬобщенной емкостной электрической машине, которая получается из
сообщенной машины (см. рис. 1.28), если в ней индуктивности заменить
ни емкости. На основе теории дуально-инверсной электродинамики для
||(><>ощенной емкостной электрической машины из уравнений (1.100),
(1.106) записываются уравнения:

-Ссор

СРюр
g₽4c₽
—с
dt

Ссор

—С
dt

3

g₽ dt р

(8-7)

Мж=С^и'а-игаи^.	(8.8)
В (8.7), (8.8) по отношению к уравнениям индуктивной маши) ы при
изведены следующие дуально-инверсные замены: напряжени’ )«>*,
w # i; индуктивности — полные емкости, Z"p С"р; взаимная ин
тивность — взаимная емкость, М С , активные сопротивления - н|н>
водимости, z£p g"p.

Полные емкости включают емкость и собственную емкосп, наприм :р

Csa=C+Csm.	(8,9)

Уравнения емкостной машины могут быть записаны в различны)!
системах координат и повторять все многообразие уравнений индуяти»
ных электромеханических преобразователей.

При создании емкостных электрических машин было бы ошиГнпй
копирование конструкций индуктивных машин. Индуктивные машины
вращательным движением ротора настолько совершенны, что замени ih
их чем-то другим невозможно. Надо пытаться найти конструкции ем мн
стных машин, непохожие на индуктивные, и применить их там, где пи
дуктивные машины не дают удачных решений, например для получ щ
возвратно-поступательного движения, для ЭП с жидким и газообря и
ротором и др.

Чтобы получить емкостные машины, по своим показателям приолн
жающиеся к индуктивным электрическим машинам, надо электрически
поле концентрировать в веществе с большой диэлектрической пос гоми
ной е. Применять в конструкции диэлектрики се® 8<-10000, такие, кик
титанат бария, дигидрофосфат калия и др. Если в индуктивных машина*
энергия магнитного поля концентрировалась в воздушном зазоре, го в
емкостных машинах она должна концентрироваться в жидких или иг р
дых диэлектриках.

Одним из примеров емкостной машины может служить ЭП, иа1ои|
зующий пьезоэффект. При механических воздействиях на кристплм!
кварца, титаната бария, сегнетовой соли на их гранях возникают электрн
ческие заряды противоположных знаков. Это явление называют пьезо и||
фектом. При воздействии на кристалл электрического поля возни: и*-г
механические деформации. Это явление называют обратным пьезоэффек ччл

Пьезокерамические ЭП могут использоваться как генераторы дп«
получения высоких напряжений и как двигатели для получения линенпы*
Перемещений. Хотя перемещения эти в одном кристалле ничтожны, Ж
единяя кристаллы последовательно, можно получить точные высокое
тотные перемещения рабочих органов. Пьезокерамические ЭП в качссЩ
генераторов пытаются использовать в системах зажигания двип.Г''11₽п
внутреннего сгорания.
+++++++++

Рис. 8.2. Конвекционный генера-
тор Ван-де-Граафа

Рис. 8.3. Схема ионного двигателя

Пьезометрические ЭП, хотя и не
похожи на обычные электрические ма-
шины, описываются уравнениями элек-
тромеханического преобразования энер-
гии и подчиняются законам электроме-
ханики.

За более чем трехвековую историю
развития емкостных электрических ма-
шин наиболее удачной конструкцией
является конвекционный генератор Ван-
дс-Граафа (рис. 8.2). В этой машине в
заряжающей системе 1 за счет коронно-
। о разряда происходит разделение заря-
дов на положительные и отрицательные.
Отрицательные заряды движущейся
лентой 2 переносятся к сфере 3 и сни-
маются с ленты щеткой 4. Металличе-
ская сфера 3 установлена на изоляционной
подставке 5. Мощность такого генератора
о кВт, напряжение постоянного тока 15
млн. В, ток 1000 мА. Высота генератора
15+20 м. Такие генераторы применяются в
испытательных установках.

Перспективной конструкцией емко-
i гной машины является ионный двига-
тель, принципиальная схема которого показана на рис. 8.3. Поток ионов
ускоряется в канале электрическим полем и выбрасывается из сопла с
разностью скоростей г>| - v2, за счет этого корпус двигателя получает ус-
корение.

Преимущество емкостных машин перед индуктивными состоит в
юм, что они не требуют массивной магнитной системы. Для создания
ыектрического поля нужны легкие электроды. Емкостные двигатели —
высоковольтные, и это их преимущество и недостаток.

Как в области теории, так и в практической реализации емкостных
ыектрических машин сделано еще очень мало, но имеются большие пер-
спективы, и электромеханики должны пытаться применять емкостные
>11, когда обычные электрические машины не обеспечивают необходи-
мых показателей.
8.2.	Индуктивно-емкостные электромеханические
преобразователи

В индуктивных ЭП концентрация и преобразование энергии проис-
ходят в магнитном поле, а в емкостных — в электрическом поле. В ин-
дуктивно-емкостных ЭП концентрация и преобразование энергии проис-
ходят в электромагнитном поле.

Индуктивно-емкостный ЭП можно получить, если совместить в од-
ном агрегате индуктивную и емкостную электрическую машину. Приме-
ром индуктивно-емкостного ЭП является машина, показанная на рис. 8.4.
Простейшая индуктивная машина L соединена механически и имеет об-
щую электрическую цепь с емкостной электрической машиной С. Индук-
тивная машина состоит из катушки 1, возбуждаемой постоянным током, и
подвижного сердечника 2, соединенного с коромыслом 3. При движении
сердечника изменяется индуктивность катушки и в цепи нагрузки, со-
стоящей из нагрузочного сопротивления zH, катушки 1 и конденсаторе
переменной емкости 4, протекает переменный ток.

Емкостная машина представляет собой конденсатор, емкость которо-
го изменяется за счет того, что между обкладками перемещается диэлек-
трик 5 с большой диэлектрической постоянной е. При изменении емкости
~	-	. dq	„

С изменяется ток в электрической цепи i =	, где q — заряд цепи. При

dt

- X	1	т 1

настройке обеих машин в резонанс, когда соо ~ .— и a0L =----, име-

4LC <ооС

ет место электромеханический резонанс. При этом частоты механически*
и электрических колебаний равны друг другу. При резонансе энергетиче-
ские характеристики машины наилучшие. Для создания магнитного и
электрического полей в этой машине не требуется реактивная мощность

Рис. 8.4. Схема индуктивно-емкостного
электромеханического преобразователя

от постороннего источника, при
резонансе происходит обмен
реактивной мощностью между
индуктивной и емкостной ма-
шинами. В зависимости от ха-
рактера нагрузки следует учиты-
вать и реактивную мсщноск
натрузки. Индуктивно-емкост-
ный электромеханический пре-
образователь, как и все электри-
ческие машины, обратим: он
может работать в режиме гене-
ратора и двигателя. В генера-
торном режиме к коромыслу прикла-
дывается механическая мощность Рмп,
а в нагрузке выделяется электрическая
мощность I*RH (где 1К — ток в на-
грузке, Ru — активное сопротивление
нагрузки). Подводя электрическую
мощность к выводам z„, с коромысла 3
снимаем механическую мощность.

Индуктивно-емкостный ЭП мож-
но создать, используя магнитострик-
ционный и пьезоэлектрический эффекты.

Явление магнитострикации связа-
но с изменением формы и размеров

Рис. 8.5. Индуктивно-емкостной
электромеханический преобразова-
тель с магнитострикционной и пье-
зоэлектрической частью

ферромагнетика при его намагничивании. При механических воздействи-

ях на ферромагнетик возникает намагниченность. Пьезоэффект связан с

возникновением электрических зарядов при механических воздействиях
на кристаллы. Существует обратный пьезоэлектрический эффект, когда
под действием электрического поля происходит изменение линейных

размеров кристаллов.

На рис. 8.5. дана схема индуктивно-емкостного ЭП, который состоит
из магнитострикционной 1 и пьезоэлектрической 2 частей, которые укре-
плены на недеформируемой опоре. Материалами с наилучшими пьезос-
войствамя являются твердый раствор цирконатотитаната свинца, титанат
бария, сегнетова соль и др. В качестве магнитострикционного материала
используются пермендюр, чистый никель, твердый раствор цирконатоти-
таната свинца и др.

При механическом воздействии на пьезокристалл на его гранях воз-
никает ЭДС и в электрической цепи протекает ток, который создает маг-
нитное поле, воздействующее на магнитострикционную часть. Настраи-
вая в резонанс электрическую цепь и механические колебания, можно
создать индуктивно-емкостный ЭП колебательного движения с высокими
энергетическими показателями. Соединяя последовательно десятки и
сотни кристаллов, можно создать ЭП возвратно-поступательного движе-
ния с точными перемещениями в трехмерном пространстве. Такой ЭП
может работать в двигательном и генераторном режимах и может найти
применение в робототехнике. Хотя рассмотренные ЭП не имеют сходства
с обычными электрическими машинами, они подчиняются законам элек-
тромеханики, и процессы преобразования энергии в этих машинах под-
чиняются уравнениям электромеханического преобразования энергии.

Математическое описание процессов преобразования энергии в
шщуктивно-емкостны.х ЭП состоит из системы уравнений индуктивной и
емкостной машин, которые в символической форме могут быть занисшц ।
в следующем виде:

U/

ZL
о

(К 1<>)

M3KL = М(ГГ); МмС = C(UsUr),	(Kill

где ui5 ii — соответственно субматрицы напряжений и токов индукти
ной машины; ic, uc — субматрицы токов и напряжений емкостной uick
трической машины; ZL — матрица сопротивлений индуктивной машины
Zc — матрица сопротивлений емкостной машины; M3mL, МэмС — элскгро
магнитные моменты индуктивной и емкостной машин, Г, Г — токи нет
торе и роторе индуктивной машины; (/, Ur — напряжения в исполнит
ной и перемещающейся частях емкостной машины.

Субматрицы напряжений и токов и матрицы сопротивлений ипдук
тивной и емкостной машин могут иметь все видоизменения, рассмацш
ваемые в теории индуктивных машин. Уравнения момента (8.11) мот
иметь также все видоизменения.

Система уравнений (8.10), (8.11) описывает поведение индуктишш
емкостных ЭП в переходных и установившихся режимах. При нелине II
ной связи между индуктивной и емкостной машинами в (8.10) вмеч и>
нулей появляются взаимные связи Ztf и ZC;, учитывающие влияшн
одной машины на другую.

Индуктивно-емкостные ЭП еще не нашли технических применении
Однако наличие математического описания процессов преобразования
энергии в таких машинах, богатый опыт создания и применения ипдук
тивных машин позволяют рассчитывать на то, что в недалеком будущем
новые электрические машины найдут оригинальные применения [4].

При дальнейшем развитии теории электрических машин, по-нилн
мому, удастся глубоко исследовать уравнения индуктивно-емкошпы
машин и с них начинать изучение электрических машин как с наибол
общих уравнений, из которых в частном случае подучаются уравнения
индуктивных и емкостных электрических машин.

8.3.	Биодвигатели

Природа отвела емкостным электромеханическим преобразова гелям
самое почетное место — они является основными преобразователями
энергии в живых организмах.
За прошедшие два века электробиология сделала поразительные ус-
пехи, но только всего несколько десятилетий назад биологи доказали, что
движение бактерий может осуществляться, минуя превращение энергии
нищи в АТФ (аденозинитрифосфорную кислоту). За счет мембранного
потенциала, образующегося в результате разделения зарядов, в биологи-
ческих двигателях электрическая энергия преобразуется в механическую.
11ри этом АТФ является лишь накопителем и переносчиком зарядов.

Биопотенциалы возникают в клеточных мембранах, которые могут
пропускать положительные ионы, но не пропускают анионы. Вначале
отрицательные и положительные заряды, которые появляются в клетке за
счет переваривания питательных веществ, компенсируют друг друга. За-
1см часть ионов проникает через полупроницаемую мембрану и снаружи
положительных ионов становится больше, чем внутри. На мембране воз-
никает нернстовский потенциал. В. Нернст опубликовал свою диссерта-
цию, в которой излагалась теория мембранного потенциала, в 1889 г.
11аиболее полно мембранная теория возникновения электричества в жи-
вых организмах изложена в большой книге Ю. Бернштейна «Электробио-
иогия», вышедшей в свет в 1912 г.

Одиночная клетка обладает потенциалом покоя 60 мВ, при возбуж-
дении потенциал увеличивается вдвое. Клетки могут соединяться и по-
следовательно, и параллельно. У электрического угря последовательно
соединяется более 6000 клеток, и он может создавать напряжение
8004-900 В.

Для морских электрических рыб важно не только получать высокое
напряжение, но и большой ток. Электрический скат дает напряжение 50 В
и гок 50 А. У него смешанное соединение клеток (400 соединены после-
довательно и 500 — параллельно). Электрический скат или электриче-
ский угорь при разрядах генерируют значительную мощность — до 6 кВт
и импульсе продолжительностью 2—3 мс [4].

Разделенные в генераторах заряды АТФ передвигаются к биодвига-
ц'лям. Линиями электропередачи могут быть кровеносные сосуды, а в
простейших организмах — межклеточная жидкость.

Схема одного из биодвигателей — натрий-калиевого насоса — дана
на рис. 8.6, а. Этот биологический двигатель состоит из ротора-белка с
активными центрами (7), который захватывает из наружной среды (2) ион
калия, а из внутренней (цитоплазмы клетки 3) — ион натрия. Ротор (бел-
ковая молекула) вращается в мембране (4) и освобождает захваченные
ионы. При этом натрий выходит наружу, а калий попадает внутрь клетки
(рис. 8.6, а).

На роторе укреплена ворсинка, которая, как корабельный винт, пре-
ооразует вращательное движение в поступательное. Бактерия может
иметь более десятка ворсинок, которые обеспечивают перемещение в
Рис. 8.6. Бнодвигатели:

а — натрий-калиевый насос; б— линейные

трехмерном пространстве. Бактерии — первые электромеханические пре
образователи на Земле. У них есть генераторы (клеточные мембраны*
двигатели и линии передачи электроэнергии. Генераторы и двинпелн
управляются из одного. центра. Как и на современной электростанции
топливо, сгорая, отдает тепловую и механическую энергии электрическим
генераторам, так и энергия пищи в биогенераторах преобразуется в uick
трическую энергию. В биодвигателях электрическая энергия преобри «у
ется в механическую энергию и тепло.

В биологических организмах широко распространено поступи if ль
ное движение. На рис. 8.6, б представлена схема линейного двигаими
цианобактерии, состоящего из множества (1,2,3,..., и) колонок, которы-
под действием зарядов могут сжиматься и расширяться. За счет перишш
ческих гармонических деформаций колонок бактерия ползет, при ним
электрическая энергия преобразуется в механическую. Нетрудно веном
нить гусениц, которые имеют присоски на множестве колонок, и огром
ных змей. В процессе эволюции из присосок образовались конечное!и, и
появились сороконожки и другие насекомые.

Далее, в результате эволюции за миллиарды лет появилось бесив
ленное множество разнообразных живых организмов, вершиной когорм*
стал человек — высшее достижение природы, умеющее думать и coijw
вать как произведения искусства, так и сложнейшие технические усгройс inn
Рассмотренные принципы электромеханического преобразования
шергии имеют место как в растениях, так и в других живых организмах.
I' стения получают пищу за счет перемещения относительно них среды
обитания (воды или воздуха), а животные в поисках пищи вынуждены
। ими перемещаться в среде обитания [4].

Как следует из истории развития электромеханики и биологии, на
первых этапах ими занимались одни и те же ученые. За двухсотлетнюю
историю электромеханиками и электробиологами были сделаны фунда-
ментальные открытия и достигнуты выдающиеся результаты научных
исследований. Однако за это время ученые-электротехники и биологи так
далеко разошлись, что сегодня нет специалистов, хорошо разбирающихся
как в электробиологии, так и в электромеханике. Прогресс в развитии
щсктробиологии в ближайшее время будет определяться внедрением в
биологию достижений электромеханики, и снова потребуются профес-
 ионалы в обоих направлениях

Электромеханические преобразователи природа исполь $ует в живой
и неживой природе. Если представить шкалу единичных мощностей элек-
|ромеханических преобразователей от нуля до бесконечности и на ней
пыделить предпочтительные области, которые занимают индуктивные,
емкостные и индуктивно-емкостные электромеханические преобразова-
сли, то емкостные будут занимать область от нуля до нескольких ватт, а
индуктивные господствуют в области больших мощностей от долей ватт
до 1024 Вт и выше. Индуктивно-емкостные электромеханические преоб-
разователи занимают среднее положение между индуктивными и емкост-
ными преобразователями (см. рис. 1.16).

Безграничные просторы Космоса, занятые огромными массами ве-
щества, принадлежат магнитным полям и токам, где господствуют индук-
швные электромеханические преобразователи [5,17].

Многие считают, что в области теории и практики электромашино-
< । роения все или почти все сделано. Однако электромеханика еще и не
пережила своего начального этапа, а изучение целых двух классов элек-
 рических машин только начинается, и на этом пути молодых электроме-
хаников еще ждут удивительные свершения.

Электромеханики только подошли к изучению и созданию на базе
биологических двигателей электромеханических преобразователей, а гео-
•in-ктромеханика только приоткрывает возможности для создания косми-
ческих наземных энергетических установок.

Гелиоэлектромеханика — электромеханика Солнечной системы толь-
ко чго появилась и делает первые шаги [18].
Список литературы

1.	Антонов М. В. Технология производства электрических машин. -М.:
Энергоатомиздат, 1993.

2.	Бут Д. А. Бесконтактные электрические машины. -М.: Высшая шко-
ла, 1990.

3.	Копылов И.П. Электрические машины. — Высшая школа, 2002.

4.	Копылов И. /7. Математическое моделирование электрических ма
шин. -М.: Высшая школа, 2001.

5.	Копылов И. П. Космическая электромеханика. Текст лекций по курсу
«Электромеханика». -М.: Издательство МЭИ, 1998.

6.	Осин И. Л., Шакарян Ю. Г. Электрические машины. Синхронные
машины/Под ред. И. П. Копылова. -М.: Высшая школа, 1990.

7.	Проектирование электрических машин. Учеб, для вузов/И.П. Копы
лов, Б.К. Клоков, В.П. Морозкин, Б.Ф. Токарев; Под ред. И.П. Копыло
ва. — 3-е изд., испр. и доп. — М.: Высш, шк., 2002.

8.	Радин В. И., Брускин Д. Э., Зорохович А. Е. Электрические машины
асинхронные машины/Под ред. И. П. Копылова. -М.: Высшая школа,
1988.

9.	Сергеенков Б. Н, Киселев В. М., Акимова Н. А. Электрические маши
ны. Трансформаторы./Под ред. И. П. Копылова. -М.: Высшая школа,
1989.

10.	Сипайлов Г. А., Кононенко Е. В., Хорьков Т. А. Электрические маши-
ны (специальный курс). -М.: Высшая школа, 1987.

11.	Специальные электрические машины. Источники и преобразователи
энергии. В 2-х кн./А. И. Бертинов, Д. А. Бут, С. Р. Мизюрин и др.;
Под ред. Б. Л. Алиевского. -М.: Энергоатомиздат, 1993.

12.	Справочник по электрическим машинам. В 2-х т./Под общ. ред.
И. П. Копылова и Б. К. Клокова. -М.: Энергоатомиздат, 1988-1989.

13.	Токарев Б. Ф. Электрические машины.-М.: Энергоатомиздат, 1990.

14.	Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 2. Электротехнический
изделия и устройства.Шод общ. ред. профессоров МЭИ В. Г. 1 >
расимова и др. (гл. ред. И. Н. Орлов). -М.: Издательство МЭИ, 1998.

15.	Юферов Ф. М. Электрические машины автоматических устройств. - I
М.: Высшая школа, 1988.

16.	История электротехники./Под ред. И. А. Глебова. -М.: Издательство
МЭИ (ТУ), 1999.

17.	Копылов И. П. Геоэлектромеханика. — М.: Издательство
МЭИ, 2000.

18.	Копылов И.П. Гелиоэлектромеханика. — М.: Изд-во МЭИ, 2002.
предметный указатель

Автомат гашения поля 452

повторного включения 454

Автотрансформатор 189

Амплидин 545

Апериодический ток короткого замы-
кания синхронной машины 448

Асинхронизированная синхрония ма-
шина 473

Асинхронные моменты высших гар-
моник поля 292

Асинхронный генератор с самовоз-
буждением 334

-	двигатель Бушеро 322

—	дуговой 347

—	двухклеточный 298

—	конденсаторный 343

—	линейный 347

- - однофазный 338

— с глубокими пазами на роторе 298

---катящимся ротором 352

---короткозамкнутым ротором 246

---массивным ротором 302

---полым ротором 319

---фазным ротором 249

---экранированными полюсами 344

-	- Шенфера 302

-	тахогенератор 359

Базисные величины в электрических
машинах 105

Барабанные обмотки 18

Биодвигатели 594

Беличья клетка 29

Бесконтактные синхронные машины

464

Бесконтактный сельсин 360

Беспазовый якорь синхронной маши-
ны 464

Векторная диаграмма автотрансфор-
матора 192

- асинхронного генератора 262

— асинхронной машины 260

----синхронной машины неявнопо-
люсной 461

------явнополюсной 417

— трансформатора 139

Вентильный двигатель 557

Вентиляция НО

Вихревые токи 299

Включение синхронных машин 423
- - - методом самосинхронизации
424

- на параллельную работу трансфор-
маторов 181

Возбудитель индукционный 461

Волна МДС вращающаяся 63

Вращающееся магнитное поле 63
Вращающийся трансформатор 361
Высшие гармоники намагничиваю-
щего тока трансформатора 174

----МДС трехфазной обмотки пере-
менного тока 86

Газовое реле 168

Гашение магнитного поля возбужде-
ния 452

Генератор поперечного поля 547

- постоянного тока 523

----сварочный 548

----с тремя щетками 548

------расщепленными полюсами 548

----униполярный 549

Геометрическое место токов асин-
хронной машины 282

Геоэлектромеханика 552
Гидрогенератор 8,369,387,477
- капсульный 385,477

Гистерезисный момент 295,471

Главное индуктивное сопротивление
обмотки 402

Группы соединений трансформатора
168
Датчик положения ротора 543

Двигатель гистерезисный 471

-	для детских игрушек 556

-	коллекторный компенсированный
569

Двигатель коллекторный однофазный
571

-	- репульсионный 573

—	универсальный 573

- постоянного тока 533

-----с печатным якорем 337

-----полым немагнитным ротором
555

-----постоянными магнитами 464

- синхронный реактивный 431,435

— с гибким волновым ротором 352

-----катящимся ротором 351

-----постоянными магнитами 465

-----электромагнитной редукцией
356

-	тиристорный 558

-	редукторный 356

-	шаговый 471

-	Шраге-Рихтера 567

Демпферная обмотка синхронной
машины 372

Диаграмма Блонделя 417

- круговая 268

-Потье413,415

Динамическая устойчивость синхрон-
ных машин 457

Добавочные (дополнительные) полю-
сы 520,521

Емкостная электрическая машина 585

Закон электромагнитной индукции 22

Законы электромеханики 32

Затухание токов внезапного коротко-

го замыкания 448

Защита трансформаторов от перена-
пряжения 212

Зона коммутации 520

Зонтичный тип гидрогенератора 385

Зубцовые гармонические МДС 80

Изменение вторичного напряжения
трансформатора 178

Индуктивное сопротивление обмен ко
главное 264,402

---переходное 446

---сверхпереходное 446

---рассеяния машины асинхронной
264

---синхронной 403

— реакции якоря поперечной 403

---продольной 403

---трансформатора 139

Индуктивные синхронные машины
368

Индукционный регулятор напряжг
ния 337

Искажение симметрии напряжении
трансформатора 204

Исполнительный двигатель аспи
хронный 353

—	постоянного тока 555

—	с печатной обмоткой якоря 55'>

---полым ротором 319

Каскад электрический 578

-	электромеханический 579

Катушка 77

Качания синхронной машины 454

Класс коммутации 521

- нагревостойкости изоляции 125

Коллектор 482

Кольцевые обмотки 17

Коммутация 511

Компенсированные трехфазные аснн
хронные двигатели 570

Коэффициент воздушного зазора ЗУ,
395

-	демпфирования механических кн
лебаний 456

-	заполнения пакета сталью 165

-	искажения синусоидальности кро
вой напряжения 391

-	насыщения 394

-	обмоточный 81

-	приведения напряжений обмен ок
трансформатора 138
- сопротивлений обмоток транс-
форматора 138

-	токов обмоток трансформатора 138

Коэффициент распределения 81

-	рассеяния 86,93,135

реакции якоря по оси поперечной
507

------продольной 511

•Роговского 152
скоса пазов 80
трансформации 136
укорочения "бмотки 78
усиления электромашинного усили-
теля 546

электромагнитной связи 136

КПД гидрогенератора 369
двигателя асинхронного 280
- синхронного 411
трансформатора 180
турбогенератора 369

Кратность максимального момента
асинхронного двигателя 288
пускового момента асинхронного
двигателя 288
тока асинхронного двигателя 290
напряжения возбуждения синхрон-
ного генератора 461

Кривые намагничивания ферромаг-
нитных материалов 122

подпитки добавочных полюсов 522

Криогенный турбогенератор 463

Критическое скольжение асинхрон-
ной машины 288

I1 руговая диаграмма 268

Круговой огонь на коллекторе 518

Иппейная нагрузка обмотки якоря
129,285

Линейные двигатели 347

гнитогидродинамические машины
553

М.чнитопровод трансформатора 166

Магнитострикция 591
броневой 102,163
бронестержневой 163

—	пространственный трехфазный 144

—	стержневой 162

— шихтованный 163

Максимальная мощность синхронной
машины 425

Математическая модель машины
асинхронной 241

------с двумя обмотками на роторе

298

---постоянного тока 486

---синхронной 375

—	обобщенного преобразователя 45

—	трансформатора 134

Машина двойного питания 472

Машинная постоянная 128

МДС многофазной обмотки 87

-	обмотки возбуждения 511

Метод двух реакций 400

Механическая характеристика асин-
хронной машины 288

—	двигателя постоянного тока 536

Мощность автотрансформатора про-
ходная 189

—	расчетная 189

- машины асинхронной механическая

286

---скольжения 285

---электромагнитная 284

— синхронной максимальная 426,430

---синхронизирующая 426,430

Накопитель 229

Намагничивающий ток асинхронной
машины 262

— трансформатора 139

Напряжение короткого замыкания
трансформатора 192

-	между коллекторными пластинами
максимальное 522

------среднее 522

Недовозбужденная синхронная ма-
шина 428

Нейтраль геометрическая 506

-	физическая 506

Несимметрия фазных напряжений
обмоток трансформатора 199
Обмотка трансформатора вторичная
158

—	высшего напряжения 158

—	дисковая чередующаяся 159

—	многослойная цилиндрическая 159

—	низшего напряжения 158

—	первичная 158

Обмотка возбуждения 390

-	волновая 59

-	граммовская 71

-	двухслойная 72

-	двухфазная 68

-	демпферная 372

-	лягушечья 500

-	однослойная 69

-	одно-двухслойная 160

-	петлевая 59

-	распределенная 383

-	синусная 358

Обмотка сосредоточенная 388

-	стержневая 68

-	цепная 70

-	якоря машины постоянною тока 495

Обобщенный преобразователь 50

Обратимость электрических машин 36

Одноосный эффект 331

Одноякорный преобразователь 582

Опрокидывание поля 510

Опыт короткого замыкания 148

-	холостого хода 146

Опытное определение синхронных
индуктивных сопротивлений син-
хронной машины 403.448

Относительные единицы 105

Отношение короткого замыкания
синхронной машины 410

Охлаждение внутреннее 111

-	водородное 111

-	водяное 111

-	косвенное 111

-	непосредственное 111

Пазы элементарные 498

Параллельная работа генераторов
постоянного тока 531

—	трансформаторов 181

Параметры синхронной машины 401

Перевозбуждение синхронной маши-
ны 428,436

Перенапряжения в трансформаторе 212

Переходные индуктивные сопротив-
ления синхронной машины 446

- процессы в машине асинхронной 308

----синхронной 445

----трансформаторе 205

Период коммутации 514

Пик-трансформаторы 227

Подпитка добавочных полюсов 522

Подпятник 390

Полюсное деление 62

Полюсы главные 490

-	добавочные 490

Постоянная Арнольда 128

-	времени 450

Потери магнитные 107

-	добавочные 109

-	механические 108

-	электрические 107

Превышение температуры 115

Предел статической устойчивости
синхронного двигателя 430

Преобразователь частоты 220

Приведение обмоток машин

асинхронных 259

----синхронных 402

—	трансформаторов 138

Противо ЭДС 489

Пуск асинхронного двигателя 308

Пусковой момент асинхронного дви-
гателя 289

Рабочие характеристики асинхронно-
го двигателя 280

Распределение напряжения транс-
форматора конечное 219

----начальное 216

Рассеяние дифференциальное 103

-	лобовое 103

-	пазовое 102

Реактивная синхронная машина 435

-	ЭДС коммутации 515

Реактивный вращающий момент 431
- треугольник 451,530

Реактор 228

Реакция якоря поперечная 398

—	продольная 398

—	размагничивающая 399

—	синхронной машины 398

Регулирование возбуждения син-
хронной машины 407

-	частоты вращения 315,535

-	числа пар полюсов обмоток 316

Самовозбуждение асинхронной ма-

шины 335

-	генератора постоянного тока 549

-	синхронной машины 429

Самозапуск асинхронных двигателей

334

Сельсин 358

Серии электрических машин 362,474,

562

Синхронизация грубая 424

-	синхронного генератора 423

Синхронизирующий момент 430

Синхронная машина неявнополюсная

372

— с клювообразными полюсами 466

---явнополюсная 372

Синхронный генератор 406

- компенсатор 436

Синхроноскоп 424

Система возбуждения синхронных
машин бесщеточная 461

------прямая 459

------электромашинная косвенная

459

Скольжение ротора 38

Скорость нарастания напряжения
возбуждения 460

Сопротивление взаимной индукции
синхронной машины 401

---трансформатора 137

— короткого замыкания трансформа-
тора 193

- нулевой последовательности транс-
форматора 202

-	обмотки якоря синхронной машины
для токов обратной последова-
тельности 440

Статическая перегружаемость син-
хронной машины 427

-	устойчивость 426

Степень искрения щеток 521

Схема замещения асинхронной ма-
шины 263,334

—	обмотки якоря синхронной маши-
ны по поперечной оси 447

-----:----продольной оси 446

—	трансформатора 141

-	Скотта 224

Тахогенератор переменного тока 357

-	постоянного тока 556

Теория двух реакций синхронной
явнополюсной машины 416

Теплопередача лучеиспусканием 112

-	конвекцией 112

-	теплопроводностью 112

Термическое сопротивление 116

Тиристорные схемы возбуждения 459

Тиристорный двигатель постоянного
тока 558,561

Ток включения трансформатора 207

-	внезапного короткого замыкания
синхронного генератора 448

-----трансформатора 209

Токи и потоки нулевой последова-
тельности в трансформаторах 201

Трансвертер 581

Транспозиция элементарных провод-
ников 160

Трансформатор 131

-	броневой 162

-	бронестержневой 162

-	грозоупорный 214

- групповой 144

-двухобмоточный 134

-масляный 157

-многообмоточный 183

-	печной 224

-	поворотный синусно-косинусный 361

-	последовательного включения 122
-	преобразования числа фаз 223

-	с регулированием напряжения 196

-	сварочный 225

-	сухой 158

-	стержневой 162

-трехобмоточный 184

—	трехфазный 143

-	частоты 220

Трансформаторная ЭДС 96

Треугольник короткого замыкания
трансформатора 150

-	характеристический генератора
постоянного тока 530

Турбогенератор 368, 378, 418

Угловая характеристика активной
мощности синхронной машины 426

Угол нагрузки синхронной машины
426

Удвоитель частоты 222

Удельная синхронизирующая мощ-
ность 427

Удельные потери в электротехниче-
ской стали 107

Удельный синхронизирующий мо-
мент 426

Умформер 580

Универсальный коллекторный двига-
тель 572

Уравнители обмотки якоря машины
постоянного тока 497

—	в трансформаторах 181

Условие максимума КПД 110

-	статической устойчивости работы
двигателей 291

Условия включения синхронного
генератора 423

-	самовозбуждения генератора посто-
янного тока 542

-	симметрии обмотки якоря машины
постоянного тока 500

Фазорегулятор 194

Формы пазов короткозамкнутого
ротора 257,298

Форсировка возбуждения 461

Характеристика генератора постоян-
ного тока внешняя 529

-----нагрузочная 530

-----регулировочная 529

-----холостого хода 526

- механическая асинхронной машины
290

- синхронного генератора внешняя
407

-----короткого замыкания 408

-----нагрузочная 410

-----регулировочная 408

-----холостого хода 397, 406

-----[/-образная 428

Характеристики асинхронного двига
теля 276, 278, 280

-	трансформатора 177

Цепные обмотки 70

Частота собственных колебаний ро-
тора синхронной машины 454

Число пазов на полюс и фазу 64

Шаг обмотки первый 496

—	частичный второй 496

Щетки электрические 517

Щеткодержатели 517

ЭДС взаимной индукции трансфер
магора 135

-	вращения 96

-	коммутируемой секции 511

—	обмотки якоря машины переменно

го тока 360

-----постоянного тока 487

-	трансформаторная 96

-	фазы 82

Электрическая машина — планет

Земля 552

Электромагнитный момент обобщен
ного преобразователя 90

Электромашинный усилитель поп
речного поля 545

—	продольного поля 547
Энергетическая диаграмма асинхрон-
ного двигателя 281

---машины постоянного тока 525,

534

—	трансформатора 140

Эффект Гёргеса 332

Якорь машины постоянного тока 17,
482,495

— синхронной 383, 398
Оглавление

Предисловие..................................................... 3

Глава первая. ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИКУ.........................5

1.1.	Электромеханика и социальный прогресс....................5

1.2.	Краткая история развития электрических машин..........  12

1.3.	Классификация электромеханических преобразователей......24

1.4.	Основные конструктивные исполнения электрических машин..27

1.5.	Законы электромеханики..................................32

1.6.	Обобщенная электрическая машина.........................39

1.7.	Бесконечный спектр гармоник поля. Обобщенный
электромеханический преобразователь..........................41

1.8.	Магнитное поле машины...................................52

1.9.	Вращающееся магнитное поле..............................61

1.10.	Обмотки электрических машин............................68

1.11.	Наведение ЭДС в обмотках электрических машин...........76

1.12.	Магнитодвижущие силы обмоток...........................84

1.13.	Электромагнитный момент.........;......................89

1.14.	Уравнения электромеханического преобразования энергии....9	

1.15.	Параметры электрических машин..........................98

1.16.	Система относительных единиц...........................10'

1.17.	Потери и коэффициент полезного действия...............106

1.18.	Нагрев и охлаждение электрических машин................110

1.19.	Материалы, применяемые в электромашиностроении.........119

1.20.	Подход к проектированию электрических машин............127

Глава вторая, ТРАНСФОРМАТОРЫ....................................131

2.1.	Назначение и общие сведения о трансформаторах........... 131

2.2.	Уравнения трансформатора................................13 1

2.3.	Векторная диаграмма трансформатора......................138

2.4.	Схема замещения трансформатора..........................141

2.5.	Трехфазные трансформаторы...............................141

2.6.	Параметры схемы замещения трансформатора................145

2.7.	Конструкции трансформаторов.............................156

2.8.	Схемы и группы соединений............................... 168

2.9.	Особенности работы насыщенных однофазных и трехфазных
трансформаторов...............................................172

2.10.	Характеристики трансформаторов........................177

2.11.	Параллельная работа трансформаторов...................181

2.12.	Многообмоточные трансформаторы........................181

2.13.	Автотрансформаторы................................... 189
2.14.	Последовательные трансформаторы......................  193

2.15.	Регулирование напряжения трансформатора................196

2.16.	Несимметричная нагрузка грехфазных трансформаторов.....199

2.17.	Переходные процессы в трансформаторах..................205

2.18.	Специальные трансформаторы.............................220

2.19.	Подход к проектированию трансформаторов............... 230

Глава третья. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ................................239

3.1.	Режимы работы и области применения асинхронных машин....239

3.2.	Математическое описание процессов преобразования энергии в
асинхронных машинах.......................................   241

3.3.	Конструкции асинхронных машин.......................... 245

3.4.	Обмотки асинхронных машин...............................253

3.5.	Векторная диаграмма асинхронной машины................  258

3.6.	Схема замещения асинхронной машины....................  263

3.7.	Круговая диаграмма......................................268

3.8.	Построение круговой диаграммы по опытным данным. Рабочие
характеристики...............................................276

3.9.	Точность круговой диаграммы.............................282

3.10.	Электромагнитный момент идеальной асинхронной машины...284

3.11.	Влияние высших гармоник поля на момент асинхронной машины...291

3.12.	Влияние вихревых токов на момент асинхронной машины....297

3.13.	Учет нелинейности параметров в статических режимах.....302

3.14.	Переходные процессы в асинхронных машинах..............308

3.15.	Регулирование частоты вращения.........................315

3.16.	Работа асинхронного двигателя при несинусоидальном
несимметричном напряжении питания............................324

3.17.	Анормальные режимы работы асинхронных машин............327

3.18.	Генераторный, тормозной и трансформаторный режимы работы
асинхронной машины...........................................332

3.19.	Однофазные двигатели...................................338

3.20.	Специальные асинхронные машины.........................346

3.21.	Асинхронные машины автоматических устройств............353

3.22.	Серии асинхронных двигатей.............................362

Глава четвертая. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ..............................368

4.1.	Режимы работы синхронных машин......................... 368

4.2.	Процессы преобразования энергии в синхронных машинах....372

4.3.	Конструкции синхронных машин............................378

4.4.	Магнитное поле синхронной машины при холостом ходе......390

4.5.	Расчет магнитной цепи синхронных машин..................395

4.6.	Магнитное поле синхронной машины прн нагрузке. Реакция якоря.398

4.7.	Параметры синхронных машии в установившемся режиме......401

4.8.	Характеристики синхронных генераторов...................406

4.9.	Векторные диаграммы неявнополюсных синхронных генераторов....412

4.10.	Векторные диаграммы синхронных явнополюсных генераторов.....416
4.11.	Параллельная работа синхронных машин.................419

4.12.	Включение на параллельную работу синхронных генераторов.....423

4.13.	Угловая характеристика. Синхронизирующая мощность.
Регулирование реактивной мощности..........................425

4.14.	Электромагнитная и синхронизирующая мощности явнополюсной
синхронной машины........................................  429

4.15.	Синхронные двигатели.................................431

4.16.	Синхронный компенсатор...............................436

4.17.	Несимметричная нагрузка трехфазных генераторов.......438

4.18.	Несимметричные короткие замыкания....................442

4.19.	Переходные процессы в синхронных машинах.............445

4.20.	Переходные процессы при гашении поля.................451

4.21.	Качания синхронных машин. Динамическая устойчивость..454

4.22.	Системы возбуждения синхронных машин.................459

4.23.	Специальные синхронные машины........................463

4.24.	Серии синхронных машин...............................474

Глава пятая. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА..........................482

5.1.	Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока...482

5.2.	Уравнения машин постоянного тока......................486

5	3. Конструкции машин постоянного тока..................490

5.4.	Обмотки якорей машин постоянного тока.................495

5.5.	Холостой ход генератора постоянного тока..............500

5.6.	Поле машины постоянного тока при нагрузке.............506

5.7.	Коммутация............................................511

5.8.	Способы улучшения коммутации..........................517

5.9.	Генераторы постоянного тока...........................52J

5.10.	Двигатели постоянного тока...........................533

5.11.	Переходные процессы в машинах постоянного тока.......540

5.12.	Специальные машины постоянного тока..................545

5.13.	Вентильные двигатели.................................557

5.14.	Машины постоянного тока, выпускаемые в России и странах СНГ.562

Глава шестая. КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО
ТОКА...........................................................565

6.1.	Электромеханическое преобразование энергии в коллекторных
машинах переменного тока...................................565

6.2.	Трехфазные коллекторные двигатели.....................566

6.3	Однофазные коллекторные двигатели......................571

Глава седьмая. КАСКАДНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН.
ЭЛЕКТРОМ 4ШИННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.. 575

7.1.	Каскадные соединения асинхронной машины с коллекторными
машинами...................................................575

7.2.	Электромашинные преобразователи...................... 57ч

7.3.	Одноякорный преобразователь.............................5Ц	1
Глава восьмая. ЕМКОСТНЫЕ И ИНДУКТИВНО-

ЕМКОСТНЫЕ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ..........................585

8.1.	Емкостные электромеханические преобразователи.585

8.2.	Индуктивно-емкостные электромеханические преобразователи.590

8.3.	Биодвигатели..................................592

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................596

ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ..................................597
Учебное издание

Копылов Игорь Петрович

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Редактор Н.Е. Оечеренко

Художник В.А. Дмитриев
Художественный редактор Ю.Э. Иванова
Корректор О.Н. Шебашова
Набор и компьютерная верстка С.Ч. Соколовского

Лицензия ИД № 06236 от 09.11.01.

Изд. № РЕНТ-92. Подп. в печать 05.11.03. Формат 60x88'/i6.

Бум. газета. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.

Объем 37,24 усл. печ. л. 37,24 усл. кр.-отг., 37,29 уч.-изд. л.

Тираж 5000 экз. Заказ № Э-7

ФГУП «Издательство «Высшая школа»,
127994, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., 29/14.

Тел.: (095) 200-04-56. E-mail: info@v-shkola.ru http://www.v-shkola.ru

Отдел реализации: (095) 200-07-69, 200-59-39, факс: (095) 200-03-01.
E-mail: sales@v-shkola.ru

Отдел «Книга-почтой»: (095) 200-33-36. E-mail: bookpost@v-shkola.ru

Отпечатано в типографии ГУП ПИК «Идел-Пресс».

420066, г. Казань, ул. Декабристов, 2.