Geum.ru

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта

Вид материалаДокументы

Содержание


Криогенные электрические машины.
Магнитогидродинамические электрические машины.
Задачи для самостоятельного решения
2. Общие вопросы теории бесколлекторных машин
3. Асинхронные машины
4. Синхронные машины
5. Коллекторные машины
Подобный материал:
  1   2   3   4

Заключение

Достижения науки и техники, обусловленные ускорением научно-технического прогресса, способ­ствуют совершенствованию всех отраслей промыш­ленности и транспорта. В первую очередь, это отно­сится к электрическим машинам, составляющим основу электроэнергетики, как в процессе производ­ства электроэнергии, так и в процессе ее потребле­ния.

Совершенствование электрических машин ве­дется по двум направлениям.

Во-первых, совершенствование технологии изготовления электрических машин, с целью увеличе­ния их производства и снижения стоимости.

Во-вторых, применение в электрических маши­нах более качественных магнитных и электроизоля­ционных материалов, с целью повышения технико-экономических показателей электрических машин. И, наконец, в-третьих, создание новых видов элек­трических машин нетрадиционной конструкции, с использованием новейших достижений науки.

Работы последних лет показали, что резервы по усовершенствованию электрических машин тради­ционной конструкции во многом исчерпаны. Поэто­му оказывается целесообразным переход к электри­ческим машинам нового принципа исполнения. В этом смысле особый интерес представляют криоген­ные и магнитогидродинамические электрические машины.

Криогенные электрические машины. В крио­генных электрических машинах обмотки выполняют из сверхпроводников или химически чистых металлов (гиперпроводников). При снижении температуры удельное электрическое сопротивление сверхпро­водников вначале плавно снижается, а затем при температуре критического перехода Θкр = 20 К (ниже -253 °С) резко падает до нуля: ρ* = 0 (ρ = 0), т. е. они переходят в состояние сверхпроводимости (рис. 3.1, кривая 1). У обычных металлов и сплавов нет состояния сверхпроводимости, и при снижении температуры их удельное электрическое сопротив­ление плавно уменьшается, достигая значения

ρ* = 10-1 при температуре абсолютного нуля (кривая 2).

У химически чистых металлов (ги­перпроводников) также нет состоя­ния сверхпроводимости, но при глу­боком охлаждении их удельное электрическое сопротивление уменьшается до значения, в 5—7 тыс. раз меньшего, чем при комнатной температуре (кривая 3).




Рис.3.1. Зависимость элек­трического сопротивления проводников от температу­ры:

1 — сверхпроводники; 2 -обычные металлы; 3 — хими­чески чистые металлы


Это свойство сверхпроводников и чистых металлов позволяет по прово­дам небольшого сечения пропускать значительные токи, доводя плотность тока до 100 А/мм2 и более. Электриче­ские потери на нагрев обмоток при этом либо отсутствуют, либо незначи­тельны. Все это дает возможность по­лучать в криогенных машинах силь­ные магнитные поля с магнитной индукцией В = 5 ÷ 10 Тл (в машинах традиционного выполнения В = 0,8 ÷ 1,5 Тл).

Криогенная машина не содержит ферромагнитного сердечни­ка, который, обладая свойством магнитного насыщения, не позво­лил бы получить столь высокие значения магнитной индукции, так как вызвал бы в машине значительные магнитные потери. Сниже­ние потерь (электрических и магнитных) позволяет повысить КПД машин и более эффективно использовать их габариты, создавая машины весьма большой единичной мощности.

Необходимым элементом криогенной машины является криостат, представляющий собой теплоизолированную от внешней среды емкость, заполненную хладагентом (например, жидким ге­лием). Внутри криостата располагают охлаждаемую обмотку или же электрическую машину целиком.

Рассмотрим конструктивную схему криогенного турбогенера­тора со сверхпроводящими обмотками статора 4 и ротора 3 (рис. 3.2). Вся машина помещена в криостат, заполненный жидким ге­лием при температуре 10 К (-263 °С). На валу 2 расположено че­тыре металлических «полюса» 5, на каждом из которых укреплена говитковая полюсная катушка 3 из




Рис. 3.2. Конструктивная схема криогенного турбогенерато­Ра

со сверхпроводящими обмотками на статоре и роторе


сверхпроводника. Статор за­ключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора б, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком - значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведанным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного поля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196 °С) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой температурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в криогенном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет криогенное электромашиностроение станет одним из ведущих направлений при создании электрических машин особо большой мощности, выполнение которых по традиционным принципам технически невозможно.

*****многовитковая полюсная катушка 3 из сверхпроводника. Статор заключен в магнитный экран 7 из сверхпроводящего сплава. По­верхность экрана имеет множество отверстий, через которые внутрь машины проникает жидкий гелий. «Полюсы» ротора 5 и «сердечник» статора 6, а также другие элементы конструкции ма­шины не обладают ферромагнитными свойствами, а используются лишь для надежного закрепления обмоток.

Вся машина заключена в металлический кожух 8, образующий стенки криостата. Затем следует толстый слой теплоизоляции 9. Выделяющаяся за счет потерь теплота, а также теплота, прони­кающая в криостат из внешней среды, отбирается жидким гелием. Криогенная машина снабжена рефрижератором 10, подающим в криостат охлажденный гелий взамен испаряющегося. Контактные кольца 11 находятся в холодной зоне, а подшипники 1 и 12 выне­сены за пределы криостата.

Рассмотренная конструкция криогенного генератора обладает существенным недостатком - значительные потери энергии в обмотке статора, вызванные переменным током в обмотке статора и переменным магнитным полем, наведенным этой обмоткой. Эти потери происходят главным образом из-за явления гистерезиса в сверхпроводящей обмотке. Пока еще не найдены эффективные способы ослабления этих потерь, вызывающих интенсивное испа­рение хладагента (жидкого гелия). Поэтому помимо электриче­ских машин с криогированием обеих обмоток создаются и иссле­дуются криогенные машины с криогированием только обмотки возбуждения. Эта обмотка питается постоянным током и защище­на алюминиевым (демпфирующим) экраном от воздействия пере­менного магнитного ноля обмотки статора, поэтому в ней не про­исходят явления, вызывающие магнитные потери. Обмотка статора в такой машине имеет обычную конструкцию, т. е. она вынесена за пределы криостата.

Исследования показали, что КПД криогенного синхронного турбогенератора с учетом всех дополнительных расходов энергии на собственные нужды (включая гелиевое охлаждение

обмотки возбуждения) на 0,8% выше, чем у обычного синхронного генера­тора с водородным охлаждением мощностью 1200 тыс. кВт. При этом криогенный генератор имеет массу в четыре раза меньше.

В последнее время получены проводниковые материалы, об­ладающие сверхпроводимостью при температуре кипения жидко­го азота (-196°Г) —хладагента более дешевого, чем жидкий ге­лий (температура кипения -268,9 °С). Ведутся работы по созданию проводниковых материалов с еще более высокой темпе­ратурой сверхпроводимости. Применение этих материалов в крио­генном электромашиностроении упростит конструкцию криостатов и снизит стоимость криогенных электрических машин.

Исследования показали, что в ближайшие 10—20 лет крио­генное электромашиностроение станет одним из ведущих направ­лений при создании электрических машин особо большой мощно­сти, выполнение которых по традиционным принципам техничес­ки невозможно.

Магнитогидродинамические электрические машины. Рас­смотрим принцип действия магнитогидродинамического (МГД) генератора, в котором тепловая энергия преобразуется непосред­ственно в электрическую. Принцип действия основан на том, что при движении рабочего тела, обладающего достаточной электро­проводностью (электролита, жидкого металла, ионизированного газа), поперек силовых линий магнитного поля в этом рабочем те­ле индуцируется ЭДС и возникает ток, который через соответст­вующие электроды отводится во внешнюю электрическую цепь. Для пояснения воспользуемся упрощенной схемой МГД- генератора (рис. 3, а), в котором рабочим телом являются продукты сгорания топлива с присадкой, усиливающей их электропровод­ность. Топливо 1, воздух 2 и присадка 3 подаются н камеру сгора­ния 4. Образующийся при этом ионизированный газ выходит из сопла 5 и проходит через внутреннюю полость электромагнита 6 поперек магнитных силовых линий поля. В соответствии с явлени­ем электромагнитной индукции в ионизированном газе наводится ЭДС, которая снимается двумя электродами 7 и подается во внешнюю цепь к потребителю rн. Ионизированный газ, пройдя через магнитное поле, выходит из генератора. Таким образом, в МГД-генераторе теплота, образуемая при сгорании топлива, непосред­ственно преобразуется в электрическую энергию, а поэтому необ­ходимость в получении механической энергии отпадает (не нужны паровой котел и паровая турбина).

Исследования показали, что МГД-генераторы приобретают существенные преимущества перед тепловыми электростанциями традиционного действия лишь при условиях значительной еди­ничной мощности (более 100 МВт) и изготовлении обмотки элек­тромагнита из сверхпроводника, помещенного в криостат.

МГД-генераторы обратимы и могут работать в двигательном режиме. Обычно МГД-двигатели применяются для перемещения электропроводных жидкостей, их принято называть МГД- насосами. Для пояснения принципа работы МГД - насоса обратимся к рис. 3.3, б. Электропроводная жидкость, проходя через канал 1, попа­дает в пространство между полюсами N и S электромагнита. При этом через жидкость от электрода 2 к электроду 3 проходит элек­трический ток, который взаимодействует с магнитным полем и создает электромагнитные





Рис. 3.3. Принцип действия МГД-генератора (а) и МГД-двигателя (б)


силы, которые и «проталкивают» жид­кость через межполюсное пространство электромагнита.

Подобные МГД-насосы могут применяться для транспорти­ровки различных электропроводных жидкостей. Например, их можно использовать для перемещения расплавленного металла в литейном производстве.

Рассмотренные МГД-машины называют кондукционными, так как их конструкция предусматривает обязательное наличие элек­тродов для съема или подачи электрического тока. Созданы также МГД-машины индукционные (асинхронные), в которых отсутст­вуют электроды, а ЭДС или электромагнитные силы возникают в результате взаимодействия перемещаемой электропроводной жидкости с бегущим магнитным полем [1].


Задачи для самостоятельного решения


1. ТРАНСФОРМАТОРЫ


Задача 1.1. Однофазный трансформатор включен в сеть с час­тотой тока 50 Гц. Номинальное вторичное напряжение U2ном, а ко­эффициент трансформации k. Определить число витков в обмот­ках w1 и w2, если в стержне магнитопровода трансформатора сечением Qст максимальное значение магнитной индукции Вmах (табл. 1.1).


Таблица 1.1


Величины
Варианты

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

U2ном, В
230
400
680
230
230
400
400
680
230
230

k
15
10
12
8
10
6
8
12
14
8

Qст м2 * 10-1
0,49
0,80
1,2
1,8
0,65
0,80
1,2
0,76
0,60
085

Вmax, Тл
1,3
1,6
1,8
1,3
1,4
1,5
1,2
1,3
1,5
и


Задача 1.2. Для однофазного трансформатора номинальной мощностью Sном и первичным напряжением U1ном, мощностью ко­роткого замыкания Рк.ном и напряжением к.з. uк рассчитать данные и построить график зависимости изменения вторичного напряже­ния ΔU от коэффициента нагрузки β, если коэффициент мощности нагрузки соs φ2 (табл. 1.2).


Таблица 1.2

Величины
Варианты

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Sном, кВА
600
250
800
100
180
560
320
50
120
80

U1ном, кВ
31,5
6,3
31,5
6,3
6,3
10
10
3,4
6,3
10

Рк.ном, кВт
20
12
22
7
10
25
13
3,5
8
5,4

Uк, %
8,5
6,5
8,5
5,5
6,5
7
6,5
5,5
5,5
6

cos φ2
0,75 (емк.)
0,85 (инд.)
0,80 (емк.)
0,70 (инд.)
1,0
0,85 (инд.)
0,9 (емк.)
1,0
0,80 (инд.)
0,70 (инд.)



Задача 1.3. Для однофазного трансформатора, данные которо­го приведены в задаче 1.2, рассчитать и построить график зависи­мости КПД от нагрузки η = f (β), если максимальное значение КПД трансформатора соответствует коэффициенту нагрузки β/ = 0,7.


Задача 1.4. Трехфазный трансформатор номинальной мощно­стью Sном и номинальными напряжениями (линейными) U1ном и U2ном имеет напряжение короткого замыкания uк, ток холостого хода i0, потери холостого хода Р0ном и потери короткого замыкания Р к.ном. Обмотки трансформатора соединены по схеме «звезда— звезда». Требуется определить параметры Т-образной схемы замещения, считая ее симметричной: r1 = r2' и х1 = х2'; определить КПД η и полезную мощность Р2, соответствующие значениям полной потребляемой мощности S1 = 0,25 Sном, S2 = 0,5 Sном, S3 = 0,75 Sном и S4 = Sном при коэффициентах мощности нагрузки соs φ2 = 0,8 и соs φ2 = 1, по полученным данным построить графики η =