Поскольку все современные электрические системы работают на переменном токе, а следовательно, питаются синхронными генераторами, естественно, что все процессы, протекающие в этих системах, в сильной степени зависят от характеристик синхронных машин. Правильная эксплоатация или проектирование электрических систем в настоящее время возможны лишь при отчетливом понимании явлений, происходящих в синхронных машинах при работе. В особенности от характеристик синхронных машин зависят такие исключительно важные проблемы, как короткие замыкания и устойчивость параллельной работы; в области применения электрических машин в промышленности проблема повышения коэффициента мощности также связана с вопросами работы синхронных машин. Интересно привести слова P. L. Alger'a (G. E. R., 1932, . стр. 553): „Дайте мне значения реактивностей синхронных машин и я укажу вам поведение системы".
Указанные выше обстоятельства поставили перед каждым электротехником, занимающимся вопросами эксплоатации или проектирования элек-трлческих систем, необходимость ясного представления теории работы синхронных машин. Заслуживающим внимания является то обстоятельство, что большое количество статей по синхронным машинам в американской периодической литературе написано инженерами, работающими в области передали энергии, проектирования станций и сетей и т. п. (работы С. F. Wagner'a, E. J. Burn ha m'a, С. J. Fechh eim er'a, W. M. Hanna). В результате повышенного интереса к неустановившимся режимам, представляющим наибольшие трудности в отношении количественного учета, теория синхронных' машин за последнее время достигла уровня, позволяющего вычислять протекание переходных процессов с точностью, практически равной 100%.
Однако, все современные достижения получили отражение, главным образом, в периодической литературе. Книг, удовлетворяющих современному состоянию теории синхронных машин и в то же время способных служить учебниками, в настоящее время в технической литературе как в русской, так и в иностранной нет. Между тем, потребность в книге по синхронным машинам, касающейся вопросов работы их в электрических системах, чувствуется давно.
Настоящая книга имеет целью заполнение указанного пробела. Однако, принимая во внимание полное отсутствие в настоящее время книг по синхронным машинам и учитывая задание, полученное автором от кафедры электрических машин Военной электротехнической академии РККА им. т. Буденного (ВЭТА), посвятить целиком книгу вопросам работы синхронных машин в сложных системах было нецелесообразно. Автору было предложено составить учебник по синхронным машинам для слушателей ^ВЭТА. Поэтому необходимо было в книге дать и общие вопросы теории '(обмотки, э. д. с., реакция якоря), вместе с тем некоторые вопросы специального характера пришлось опустить. Первоначально автору было предложено составить учебник, строго соответствующий числу часов, отведенных в учебном плане на синхронные машины. Уже в процессе работы над настоящей книгой автор, учитывая приведенные выше соображения, расширил несколько задачу с тем, чтобы книга могла служить пособием для инженеров, специализировавшихся в области эксплоатации или проек-
1* 3
тирования электрических установок, содержащих синхронные машины. Таким образом, настоящая книга является учебником по общему курсу синхронных машин, но все вопросы освещаются в ней, главным образом, с точки зрения эксплоатации машин в системах. Соответственно с этим курс охватывает только теорию нормальных синхронных машин; необходимо отметить, что теория дана в объеме, вполне достаточном и для специалистов в области динамостроения. • Вопросы конструкции и расчета синхронных машин в книге почти не затронуты; эти вопросы представляют интерес только для динамостроителей и обычно изучаются в отдельных курсах. Вопросы испытания синхронных машин требуют большого объема и будут выпущены отдельной книгой другими авторами. В настоящей книге затронуты лишь некоторые вопросы испытания, главным образом, для того, чтобы лучше оттенить природу параметров, подлежащих опытному определению.
Стремлением удовлетворить одной книгой разные категории учащихся, проходящих синхронные машины в разном объеме при разном числе учебных часов, объясняется своеобразное распределение материала по отдельным параграфам. Вся книга разбита на параграфы основные и параграфы специальные (последние отмечены в тексте звездочками). Все вопросы, являющиеся несущественными для общего" ознакомлений с работой синхронных машин и представляющие интерес только для 'отдельных узких кругов специалистов, вынесены в специальные параграфы. Основные параграфы составляют вполне законченный курс, при изучении которого нет необходимости просматривать специальные, отмеченные звездочками, параграфы, которые, следовательно, можно свободно пропускать. Этим объясняется некоторое повторение материала: так, в одних параграфах рассматривается явление с чисто физической точки зрения, в следующих за ними параграфах, отмеченных звездочками, разбирается то же самое явление, но либо более углубленно, либо чисто математически. При просмотре книги можно заметить, что в основных параграфах имеются ссылки на параграфы, отмеченные звездочками. Целью этих ссылок является лишь указание, где можно найти более, углубленное рассмотрение вопроса.
Спешность выпуска книги не позволила дать ряд специальных глав, представляющих несомненный интерес для многих электротехников; так, пришлось отказаться от первоначальной мысли поместить главу о магнитной цепи синхронных машин и о быстродействующих возбудителях, и главу о потерях в синхронных машинах. По техническим условиям пришлось отказаться от помещения в книге фотографий. Несомненно, книга не свободна от недостатков, и за все указания на недочеты автор будет весьма благодарен.
В заключение автор приносит глубокую благодарность проф. В. А. То л-винскому, исключительно ценными советами которого автор пользовался при составлении книги, и начальнику кафедры электрических машин ВЭТА проф. В. К. Попову, проредактировавшему рукопись, а также инж. Т. А. Аглицкому, прочитавшему книгу в рукописи и сделавшему ряд ценных указаний. Главы XI и XII, посвященные коротким замыканиям, представляют собою переработку статьи автора в журнале „Электричество" 1932 г., стр. 171 (Реактивности синхронных машин), написанной под непосредственным руководством инж. Н. Н. Щедрина; в переработанном для книги виде- эти главы также были просмотрены Н. Н. Щедриным; автор выражает ему глубокую благодарность.
.Ленинград. ' В. И. Иванов.
ле.1\ги юээ
ОГЛАВЛЕНИЕ
, Стр.
Предисловие................................. 3
ВВЕДЕНИЕ
Подразделение электрических машин переменного тока (5). Синхронные машины (5). Области применения синхронных машин (6)..........,.......... 5-6
ГЛАВА I. Основные законы электротехники в применении к синхронным машинам.
Закон электромагнитной инаукции (закоч фарадея) (7). Правило правой ладони (7). Закон Био-Савара (8). Направление элекромагнитной силы (9). Закон Ленца (9). Закон магнитной цепи (9). Свойства синусоиды (11). Построение синусоиды (И). Векторная диаграмма (12). Сдвиг фаз синусоидальных величин (13). Сумма синусои-% дальных величин (14). Разложение функций в ряд Фурье (14). Символический метод (15). Фазные и линейные значения напряжения и тока в многофазных системах (16). Мощность многофазной системы (16). Действующее значение и мощность при несинусоидальном изменении величин (16).......................7—!6
ГЛАВА II. Принцип действия и конструктивное выполнение синхронных машин.
Принцип действия синхронной машины (17). Различные формы конструкции синхронных машин (19). Части синхронной машины (21). Возбудитель (21). Связь между час'от<$1 и скоростью вращения (21). Применяемые числа оборотов в минуту (21). Синхронные машины с явно выраженными полюсами (22). Синхронные машины с неявно выраженными полюсами (22). Связь между положением ротора относительно проводит а и вечичиной электродвижущей силы в проводнике (23). Понятие об электрических градусах (24). Сдвиг проводников в пространстве и электродвижущих сил во времени (24). Получение многофазных токов (25). О мощности синхронных машин в kW и в kVA (25). О номинальных величинах (26)......17-26
ГЛАВА III. Обмотки синхронных машин.
Общие замечания (27). Встречное и согласное соединение проводников (28). В ITOK (28). Катушка (28). Шаг витка и катушки (29). Встречное и согласное соединение витков и катушек (29). Активные и неактивные части обмоток (29). Классификация обмоток (30). Катушечные обмотки однофазных машин с целым числом впадин на полюс и фазу (30). Катушечные однослойные обмотки трехфазных машин с целым числом впадин на полюс и фазу (34). Катушечные двухслойные обмотки с целым числом впадин на полюс и фазу (38). Стержневые однослойные обмотки с целым число ч впадин на полюс и фазу (40) Стержневые двухслойные обмотки с целым числом впадин на полюс и фазу (40). Обмотки с дробным числом впадин на полюс и фазу (45). Двойные обмотки (49). Параллельные ветви обмотки (51), Форма лобовых частей обмотки (52). Конструктивное выполнение обмоток (57). . .27—57
ГЛАВА IV. Электродвижущая сила синхронной машины.
Общие замечания (58). Электродвижущая сила одного проводника (58). Коэффициент формы поля (60). Электродвижущая сила витка и катушки (61). Электродви-
336
4jl
жущая сила двухполюсной машины при синусоидальном поле (62). Электродвижущая сила многополюсной машины при синусоидальном поле (64). Электродвижущая сила многополюсной машины при любом поле (65). Коэффициент укорочения шага об-мотки (65). Коэффициент распределения обмотки (66) Обмоточный коэффициент (68). Соединение трехфазных обмоток звездою и треугольником (68). Высшие гармоники в кривой электродвижущей силы (71). Способы уничтожения высшей гармоники (73) 58 —
ГЛАВА V. Реакция якоря многофазной синхронной машины.
Общие замечания (78). Разложение потока синхронной машины (78) Количественный учет влияния реакции якоря на работу синхронной машины (й2). Магнитодвижущая сила катушки (82). Магнитодвижущая сила многокатушечной однофазной обмотки (84). Магнитодвижущая сила многофазной многокатушечной обмотки (86). Кривые магнитодвижущей силы обмоток с укороченным шагом и обмоток с дробным числом впадин на полюс и фазу (91). Кривые магнитодвижущей силы двойных обмоток (96). Поток реакции якоря многофазной машины с цилиндрическим ротором (97). Поток реакции якоря многофазной машины с явно выраженными полюсами (98). Влияние потока реакции якоря на результирующий поток междужелезного пространства (101). Поток рассеяния статора (102). Поток4 рассеяния , олюсов (103) . .78-1
ГЛАВА VI. Диаграммы напряжения и характеристики синхронных машин.
Общие замечания (105). Изменение напряжения при нагрузке (105). Диаграмма нен [сыщенной машины с цилиндрическим ротором (106). Диаграмма напряжения при коротком замыкании (108). Диаграмма Бен-Эшенбурга (110). Диаграмма Ро-терта (111). Диаграмма Потье (112). Диаграмма Блонделя (113). Построение диаграмм напряжения (114). Построение диаграммы Бен-Эшенбурга (115). Построение диаграммы Потье (116). Построение диаграммы .Блонделя (118). Диаграмма, рекомендованная Американским институтом инженеров-электриков (120). Диаграмма, рекомендованная шведскими нормами (122). Построение диаграммы Блонделя в относительных единицах (123). Практические замечания о применении диаграмм напряжения (126). Внешняя характеристика синхронной машины (127). Регулировочная характеристика синхронной машины (127). Нагрузочная характеристика синхронной машины (128). Характеристика короткого замыкания (129)............. 105-
ГЛАВА VII. Однофазные синхронные машины.
Общие замечания (132). Обмотки однофазных машин (132). Сравнение однофазной машины с трехфазной при одинаковой частоте (132). Реакция якоря однофазного синхронного генератора (134). Обратно синхронная составляющая потока реакции ' якоря однофазной ма пины (136). Разложение обратно синхронного потока на продольную и поперечную составляющие (137). Влияние продольно и поперечно пульсирующих составляющих обратно синхронного потока на работу однофазной синхронной машины (138). Уничтожение обратно синхронного потока (139). Учет реакции якоря в однофазном генераторе с успокоительной обмоткой (140).Диаграммы напряжения однофазного генератора с успокоительной обмоткой (141). Коэффициент полезного действия однофазных генераторов (141).................132-1
ГЛАВА VIII. Параллельная (совместная) paOoia синхронных машин.
Общие замечания (142). Условия для параллельного включения синхронных мгшин (143). Уравнение для вращающих моментов, действующих на ротор синхронной машины (143). Электромагнитный вращающий момент синхронной машины (144). Электромагнитная мощность синхронной машины (150). Успокоительный момент (152). Величина успокоительного момента (153)- Мощность и вращающий момент,, идущие на сообщение ротору ускорения (156). Мощность первичного двигателя (157). Вращающий момент первичного двигателя (158). Уравнение движения ротора синхронной машины (159). Работа синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности (160). Зависимость электромагнитной мощности синхронной машины от угла 6 (161). Влияние изменения возбуждения на параллельную работу синхронной
з;
Стр.
машины (162). Работа синхронной машины на сеть бесконечно большой мощности при постоянном возбуждении и переменной электромагнитной мощности (165). Параллельная работа нескольких синхронных машин, сравнимых по мощности (166). (_,, Включение однофазных синхронных машин на параллельную работу (166). Включение трехфазных синхронных машин на параллельную работу (168). Несинхронное включение на параллельную работу (170). Реактивный вращающий момент (171) . . 142-172
ГЛАВА IX. Явления колебаний при параллельной работе синхронных машин.
Общие замечания (173). Свободные колебания синхронных машин (176). Явление свободных колебаний в реальной системе (179). Последствия свободных колебаний (180). Решение дифференциального уравнения движения ротора синхронной машины в случае свободных колебаний (182). Период свободных незатухающих колебаний (184). Период свободных затухающих колебаний (185). Вынужденные колебания (185). Решение уравнения движения генератора в случае вынужденных колебаний при работе его в одиночку (188). Максимальное допустимое отклонение ротора при работе генератора в одиночку (190). Вынужденные колебания генератора, работающего параллельное другими (ШЭ^Цопустимый угол отклонения при вынужден-, ных колебаниях в случае параллельной работы синхронных машин (193). Колебания электрической мощности генератора (194). Влияние маховика на колебания ротора синхронного генератора (196). Применение успокоительной обмотки (197). Несинхронное включение синхронных машин на параллельную работу (198). Характеристики регуляторов скорости первичных двигателей (,201). Процесс регулирования (203). Влияние регуляторов скорости на 'параллельную работу синхронных машин (204)...............-....................173-205
ГЛАВА X. Синхронный двигатель.
Принцип действия трехфазного синхронного двигателя (206). Диаграммы напряжения синхронного двигателя (208). Электромагнитный вращающий момент синхронного двигателя (210). Мощность синхронного . читателя (211). Зависимость электромагнитного момента синхронного двигателя от угла 6 (213). Полезный вращающий момент синхронного двигателя (214). Опрокидывающий, или максимальный, враща-.ющий момент синхронного двигателя (214). Синхронизирующая мощность синхронного двигателя (216). Влияние изменения тока возбуждения на работу синхронного двигателя (217). {/-образные кривые синхронного двигателя (или кривые Mordey) (219). Применение синхронного двигателя для компенсации cos cp сети (220). Синхронный компенсатор (223). Пуск в ход синхронных двигателей (223/ Пуск в ход синхронного двигателя при помощи постороннего двигателя (224). Пуск в ход синхронного двигателя при помощи индукционного двигателя, включенного последовательно со статором синхронного двигателя (225). Непосредственный пуск синхронного двигателя (226). Пуск при помощи вспомогательного генератора (226). Асинхронный пуск синхронных двигателей (227). Схемы включения для синхронного пуска синхронных двигателей (232). Рабочие характеристики трехфазного синхронного двигателя (233)., ' Однофазный синхронный двигатель (234).....................206-234
ГЛАВА XI. Симметричное короткое замыкание синхронной машины.
Общие замечания (235). Определения (236). Установившееся короткое замыкание на зажимах синхронной машины (237). Треугольник Потье (239). Характеристика ;.,•• короткого замыкания (240). Способ Рюденберга для определения установившегося тока короткого замыкания синхронной машины (240). Способ Foerster'a для определения установившегося тока короткого замыкания (242). Внезапное короткое замыкание (244). Свойства магнитных потоков, сцепленных с замкнутыми проводящими контурами (245). Соотношения между потоком сцепления и током (246). Изменение магнитных потоков, сцепляющихся с обмотками трехфазной синхронной машины, при внезапном коротком замыкании на зажимах машины (247). Величина начального тока трехполюсного короткого замыкания генератора с.успокоительной обмоткой на роторе (256). Мгновенное переходное реактивное сопротивление обмотки статора (260). Влияние рассеяния ротора на ток короткого замыкания синхронного генератора с успокоительной обмоткой (261). Переходное реактивное сопротивление обмотки статора (262). Ударный ток машины, не снабженной успокоительной
Стр.
обмоткой (263). Переходная электродвижущая сила (263). Формулы для подсчета ударного тока короткого замыкания (264). Уравнение для тока короткого замыкания (265). Декрементные кривые (267). Ток в обмотке возбуждения при коротком замыкчнии на зажимах статора (269) Последствия токов-короткого замыкания (270). Вращающий момент при коротком замыкании (270). Механические усилия в лобовых частях обмоток (2/2). Тепловые действия токов короткого замыкания (274). Ударный ток при несинхронном' включении машины на параллельную работу (274). Влияние •параметров машины и конструкции ее на ток короткого замыкания (275).....235—278.
ГЛАВА XII. Несимметричные короткие замыкания синхронных машин.
Статистика коротких замыканий в системах (27у). Метод симметричных составляющих (279). Сопротивление синхронной машины для тока положительной последовательности фаз (280). Сопротивление синхронной машины для токов отрицательной последовательности фаз (281). Сопротивление синхронной машины для токов нулевой последовательности фаз (283). Двухполюсное короткое замыкание на зажимах синхронной машины (285). Однополюсное короткое замыкание на зажимах синхронной машины (289). Вычисление токов при несимметричных коротких замыканиях (290). Ток в обмотке возбуждения при несимметричных коротких замыканиях (291) . . . 279—291
ГЛАВА XIII. Параметры синхронных машин.
Синхронная реактивность (292). Реактивность рассеяния (293). Мгновенная переходная реактивность (296). Переходная реактивность (296). Реактивность для токов отрицательной последовательности фаз (299). Реактивность для токов нулевой последовательности фаз (.300). Активное сопротивление обмотки статора (302). Постоянная времени обмотки статора (305). Постоянная времени обмотки возбуждения (307). Постоянная времени успокоительной обмотки (ЗОЙ). Ампер-витки реакции якоря (309). Нормальная характеристика холостого хода (309) Кратность тока короткого замыкания (310). Момент инерции вращающихся частей и маховой момент (310). Указатель литературы к главе XIII (313)........ ...................292-313
ГЛАВА XIV. Конструктивное выполнение синхронных машин.
Общие замечания (314). Турбогенераторы (314). Гидрогенераторы (318). Генераторы для поршневых машин (324). Синхронные двигатели (324). Вентиляция синхронных машин (326). Водородное охлаждение (333). Применяемые напряжения (334). Турбогенераторы с двумя обмотками (334).....................314 334
Цена: 1000руб.
