Принцип действия синхронного генератора
При помощи первичного двигателя ротор-индуктор вращается. Магнитное поле находится на роторе и вращается вместе с ним, поэтому скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля – отсюда название синхронная машина.
Рис.6. Генераторный режим работы синхронной машины.
При вращении ротора магнитный поток полюсов пересекает статорную обмотку и наводит в ней ЭДС по закону электромагнитной индукции: E = 4,44*f*w*kw*Ф,где:
f – частота переменного тока, Гц; w – количество витков; kw – обмоточный коэффициент; Ф – магнитный поток.
Частота индуктированной ЭДС (напряжения, тока) синхронного генератора:f = p*n/60,где:
р – число пар полюсов; п – скорость вращения ротора, об/мин.
Заменив: E = 4,44*(п*р/60)*w*kw*Фи, определив: 4,44*(р/60)*w*kw –относится к конструкции машины и создаёт конструктивный коэффициент: C = 4.44*(р/60)*w*kw.
Тогда: Е = СЕ*п*Ф.
Таким образом, как и у любого генератора, основанного на законе электромагнитной индукции, индуктированная ЭДС пропорциональна магнитному потоку машины и скорости вращения ротора.
Принцип работы приборов этой системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого катушкой 1 со стальным сердечником 3, помещенным в поле этой катушки. Электромагнитный измерительный механизм выполняют с плоской (рис. 324, а) или круглой (рис. 324,б) катушкой.
В приборах с плоской катушкой сердечник установлен на оси, несущей стрелку. При прохождении тока по катушке 1 сердечник 3 будет намагничиваться и втягиваться в катушку, поворачивая ось и стрелку. Повороту оси препятствует спиральная пружина 2. Когда усилие, создаваемое пружиной, уравновесит усилие, созданное катушкой, подвижная система прибора остановится и стрелка зафиксирует на шкале определенный ток.
Вращающий момент, воздействующий на подвижную часть прибора, пропорционален силе притяжения F электромагнита, под действием которой сердечник втягивается в катушку.
Рис. 324. Устройство электромагнитных измерительных механизмов с плоской (а) и круглой (б) катушками
Сила притяжения F, как было показано в § 93, пропорциональна квадрату индукции в, создаваемой магнитным полем катушки; следовательно, она пропорциональна квадрату тока I в катушке. Поэтому вращающий момент
M =c1I2(96)
где c1 — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров прибора (числа витков и размеров катушки, материала и формы сердечника) и положения сердечника относительно катушки.
При втягивании сердечника в катушку вращающий момент М изменяется пропорционально I2.
Под действием момента М подвижная часть прибора будет поворачиваться до тех пор, пока этот момент не будет уравновешен противодействующим моментом Mпр = c2?, созданным пружинами или растяжками. В момент равновесия М = Mпр, откуда
α= (c1/c2) I2 = kI2 (97)
где к — постоянная величина.
Следовательно, в приборах с электромагнитным измерительным механизмом угол поворота а подвижной части и стрелки пропорционален квадрату тока, проходящего по катушке. Поэтому такой прибор имеет неравномерную (квадратичную) шкалу. Для сглаживания этой неравномерности сердечнику придается особая лепестко-образная форма, вследствие чего форма магнитного поля и усилие, создаваемое катушкой, изменяются по мере втягивания сердечника.
Устранение колебаний подвижной системы прибора при переходе стрелки из одного положения в другое осуществляется демпфером 5.
Рис. 325. Устройство астатического измерительного механизма
В приборах с круглой катушкой подвижная система поворачивается в результате взаимодействия двух стальных намагничивающихся пластинок 3, расположенных внутри катушки 1. Одна из них укреплена на оси прибора, а другая — на внутренней поверхности каркаса катушки. При прохождении тока по катушке пластины намагничиваются, и их одноименные полюсы оказываются расположенными друг против друга. Между ними возникают силы отталкивания и создается вращающий момент, поворачивающий ось со стрелкой 4.
Применение. Электромагнитные приборы используют, главным образом, для измерения тока и напряжения в промышленных установках переменного тока. При периодическом изменении тока, проходящего через прибор, усилие, создаваемое его катушкой, не будет изменяться по направлению, так как оно пропорционально квадрату тока. Угол отклонения стрелки определяется некоторым средним усилием F, значение которого пропорционально среднему квадратичному значению тока или напряжения. Следовательно, электромагнитные приборы в цепях переменного тока измеряют действующие значения тока или напряжения.
Катушка при измерениях может быть включена в электрическую цепь последовательно или параллельно двум точкам, между которыми действует некоторое напряжение. В первом случае прибор будет работать в качестве амперметра, во втором — в качестве вольтметра.
Достоинством приборов электромагнитной системы являются простота и надежность конструкции, невысокая стоимость, стойкость к перегрузкам и пригодность для измерений в цепях переменного и постоянного тока. К недостаткам относятся невысокая точность, малая чувствительность, неравномерность шкалы и зависимость показаний от внешних магнитных полей и частоты переменного тока.
Астатические приборы. Катушки электромагнитных приборов создают относительно слабое магнитное поле, так как силовые линии этого поля проходят в основном по воздуху. Поэтому такие приборы весьма чувствительны к влиянию внешних магнитных полей. Для защиты от этих влияний электромагнитные приборы окружают стальными экранами или выполняют астатическими.
В астатическом приборе имеются две плоские катушки 1 и два сердечника 2, расположенные на общей оси (рис. 325). Обмотки катушек включают так, чтобы направления их магнитных потоков Ф1 и Ф2 были противоположны. Вращающие моменты действуют на подвижную систему прибора в одинаковом направлении. Поэтому внешний магнитный поток Фвн будет усиливать поле одной катушки и ослаблять поле другой; создаваемый же ими суммарный вращающий момент будет оставаться неизменным.
лектродинамический прибор.Основными частями электродинамического прибора (рис. 7) являются: неподвижная катушка 2 и подвижная катушка 1, расположенная на оси 6, к которой прикреплена стрелка 5.
Рис.7
Ось связана с алюминиевым крылом воздушного успокоителя 4, помещающегося в камере 3. Ток к подвижной катушке подводится через спиральные пружины 7, создающие противодействующий момент. С нижней пружиной соединен корректор 8.
Работа приборов электродинамической системы основана на взаимодействии токов в двух обмотках. Сила этого взаимодействия поворачивает подвижную обмотку вместе с осью и стрелкой. Угол поворота зависит от силы тока, протекающего по обмоткам, и силы противодействия спиральных пружин.
Электродинамические приборы можно применять в цепях постоянного и переменного тока. Это объясняется тем, что изменение направления переменного тока происходит одновременно в обеих катушках, вследствие чего направление силы взаимодействия между ними остается неизменным.
Электродинамические приборы употребляют для измерения силы тока, напряжения и мощности. К преимуществам приборов этой системы наряду с возможностью использования их в цепях постоянного и переменного тока относится высокая точность. Недостатками их являются: влияние внешних магнитных полей на результаты измерения, большое собственное потребление мощности, относительно малая устойчивость к перегрузкам, малая чувствительность и высокая стоимость. Разновидностью приборов электродинамической системы являются широко распространенные, главным образом в качестве щитовых ваттметров, ферродинамические приборы (рис. 8), действие которых основано на том же принципе.
Однако в отличие от приборов электродинамической системы у ферродинамических приборов неподвижные обмотки помещаются на стальном сердечнике, который усиливает магнитное поле и вращающий момент прибора, а также уменьшает влияние внешних магнитных полей на его показания. Катушки электродинамических приборов соединяются между собой в зависимости от их назначения. В амперметрах катушки в большинстве случаев соединяют параллельно, в вольтметрах — последовательно, а в ваттметрах одна катушка включается в цепь последовательно, как амперметр, а другая — параллельно нагрузке, как вольтметр