АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок"

 

Электромеханика и электротехническое оборудование

(Электромеханика) 

 

Конспект лекции 

для студентов всех форм обучения специальности 050718 - Электроэнергетика

 

 

Алматы  2008        

 

СОСТАВИТЕЛИ: К.К.Жумагулов., Р.М. Шидерова.  Электромеханика и электротехническое оборудование (Электромеханика).

Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2007. - 74 с. 

 

 Конспект лекций по курсу “Электромеханика и электротехническое оборудование” разработан в соответствии с учебной программой и рассчитан на 17 часов для бакалавров специальности 050718 – Электроэнергетика.

 Рассмотрены история развития электромашиностроения, устройства, принцип действия, основные характеристики электрических машин, математическое описание процессов преобразования энергии. Обобщенный электромеханический преобразователь, режимы и управление процессами электромеханического преобразования энергии. 

Конспект лекций предназначен для бакалавров дневной и заочной форм обучения специальностей электроэнергетического направления.  

      

Содержание 

1 Лекция №1.  История развития электрических машин…………..…......4

         2 Лекция №2.  Электромеханическое и электрическое преобразование энергии в электрических машинах………………………………………....7

3 Лекция №3. Электрические машины как основа электроэнергетики ……………………….……………………………………………………....10

 4 Лекция №4. Математическое описание процессов преобразования энергии ……………………………………………………………………...17

5 Лекция  №5. Обобщенный электромеханический преобразователь.…22

6 Лекция №6. Трансформаторы. Назначение, принцип действия и устройство ………………………………………………………………….....23

7 Лекция №7. Векторная диаграмма  трансформатора при холостом ходе ………………………………………………………………………………....27

           8 Лекция № 8.  Режим короткого замыкания……………...……………....30

9 Лекция №9. Электромеханические свойства машин постоянного и переменного тока. Режимы преобразования энергии…………………...34

10 Лекция №10. Электродвижущие силы в обмотках машин переменного тока .............................................................................................................................38

11 Лекция №11. Электромеханические свойства машин переменного тока. Основные типы машин переменного тока и их устройство……....43

          12 Лекция №12.  Пуск в ход асинхронных двигателей………………….46

13 Лекция №13. Регулирование скорости вращения асинхронных   двигателей…………………………………………………………………..50

          14 Лекция №14.  Синхронные двигатели .........................................................56

         15 Лекция №15.  Генераторы постоянного тока .............................................59

16 Лекция №16. Двигатели постоянного тока. Способы пуска,              характеристики двигателей .................................................................................63

17 Лекция № 17. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока…………………………………………………….…..…68

Список литературы ………………………………………………….….…72    

  

1 Лекция №1.  История развития электрических машин

Цель лекции:

- ознакомить студентов: с основными законами  физики и электротехники;

- работами ученых-электромехаников..                      

Содержание лекции:

- основные законы физики и электротехники;

- общие сведения о работах ученных-электромеханиках.

    Чтобы глубоко разобраться в закономер­ностях развития любой отрасли знания, необ­ходимо знать ее историю. История развития электрических машин весьма поучительна и за­служивает внимания.

Принято считать, что история электриче­ских машин начинается с создания М. Фарадеем в 1821г. электрического двигателя, кото­рый представлял собой постоянный магнит 1, вокруг которого вращался проводник с током 2 (см. рисунок 1.1). Скользящий контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу 3, и верхней опорой 4. В двигателе Фарадея при постоянном токе в проводнике и постоянном магнитном поле, соз­даваемом постоянным магнитом, осуществля­лось преобразование электрической энергии в механическую.

Открытие Фарадея не было случайным, оно было подготовлено работами многих физи­ков. В 1799 г. итальянский ученый А. Вольта создал электрохимический генератор - вольтов столб, который состоял из цинковых и медных дисков, разделенных прокладками, смоченными кислотой.

В 1820 г. французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром был сформулирован закон дей­ствия тока на магнит. В том же году Г. Эр­стед опубликовал 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 ма­териала проводника. Результаты исследований Г. Ома (закон Ома) были опубликованы в 1827 г.

        

 

Рисунок 1.1 - Двига­тель М. Фарадея.

                                              

В 1824г. Ф. Араго обнаружил, что при вращении медного диска над магнитной стрел­кой стрелка увлекается в сторону вращения диска. Это явление получило объяснение толь­ко после открытия закона электромагнитной индукции.

Фарадей в 1831г., проведя тысячи опытов, показал возможность «превращения магнетиз­ма в электричество», открыв закон электромаг­нитной индукции.

Фарадей в своих опытах различал два ви­да индукции: индукцию тока током («вольта - электрическая индукция» по терминологии Фа­радея) и магнитоэлектрическую индукцию («возбуждение электричества при помощи маг­нетизма»). Однако он заметил, что при даль­нейшем изучении различие между двумя вида­ми индукции исчезает.

В первой группе опытов Фарадей наблю­дал появление индуктированного тока во вто­ричной катушке w2 при коммутации первичной катушки w1 или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей. При этом в не­которых опытах для усиления явления он ис­пользовал стальные сердечники (см. рисунок 1.2,а). Следует отметить, что эта установка имела все признаки трансформатора.

 

 

                                                                                       б)

Рисунок 1.2 - Установки, на которых М. Фарадей изучал явления электромагнитной индукции

 

Во второй группе опытов индуктированный ток возникал при относительных перемещениях магнита и катушки или при замыкании и раз­мыкании магнитной цепи. Фарадей показал, что на основании этих наблюдений можно по­строить электромеханический генератор, кото­рый состоял бы из магнита и полюсных нако­нечников, между которыми вращался бы мед­ный диск (см. рисунок 1.2,б). Если наложить одну щетку на периферию диска, а другую — на ось и в цепь щеток включить гальванометр, то по­следний при вращении диска фиксирует элек­трический ток.

Продолжатель дела Фарaдея, 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...». Фарадей видел силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики 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, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам.

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

Системы однофазного переменного тока хотя и позволяли передавать энергию на боль­шие расстояния, не решали проблемы примене­ния переменного тока в промышленности. Од­нофазные двигатели переменного тока не име­ли пускового момента, имели низкие энерге­тические показатели и не годились для применения в электроприводах.

В 1889г. выдающийся русский электротех­ник М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в том же году построил первый трехфазный асин­хронный двигатель и трансформатор.

Трехфазный трансформатор был построен сначала с радиальным расположением обмо­ток, а в 1891г. М. О. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Такая конструкция тpaнcформатора применяется и в настоящее время.

 В 1899г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрасли промышленности. Стали строиться мощные электрические станции, крупные син­хронные и асинхронные машины и трансфор­маторы. Впоследствии отдельные станции объединились в энергосистемы, мощности которых достигли сотен миллионов киловатт. В ХХ в. наряду с другими отраслями промышленности бурно развивалась электротехническая про­мышленность.

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

В последнее десятилетие каждый день па­тентные организации во всем мире выдают авторское свидетельство или 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 даже замечать. В середине XX в. происходило слия­ние электрических машин с машинами-орудия­ми и управляющими элементами, магнитными усилителями и полупроводниковыми преобра­зователями. Развивалось специальное машино­строение. Появились электромашинные усили­тели, различные исполнительные двигатели, 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 про­шлом веке.

Начав свою историю с машин, в которых электромеханическое преобразование энергии осуществлялось в электрическом поле, в XIX-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 решения. В 1870 г. Уимшерст создал машину трения, ко­торая демонстрируется в школах на курсах физики.

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

К 30-м годам трудами многих ученых, и в первую очередь Э. Арнольда, А. Блонделя, М, Видмара, Л. Дрейфуса, К. А. Круга. В. С. Кулебакина, 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 ма­шин, в которых излагалась теория установив­шихся режимов электрических машин.

В последние десятилетия вычислительные машины позволили решать 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 анализе процессов преобразования энергии не учитывались.

Трудами многих ученых — Б. Адкинса, Г. Вудсона, А.А. Горева, Л.Н. Грузова, Е.Я. Казовского, И. Ковача, Г.Н. Петрова, И. Раца, 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 электромехаников, возглавляемых И.А. Глебовым, И.М. Постниковым, В.В. Романо­вым, Н.С. Сиуновым, Г.А. Сипайловым, В.А. Яковенко и многими другими учеными.

 

2 Лекция №2.  Электромеханическое и электрическое преобразование энергии в электрических машинах.

Цель лекции:

- ознакомить студентов с ээлектромеханическим и электрическим преобразованием энергии в электрических машинах.  

 Содержание лекции:

- электромеханическое преобразование энергии;

- основные режимы работы электрической машины;

Электромеханическое преобразование энергии сопровождается обязательным пре­образованием электрической или механиче­ской энергии в тепловую. Преобразование энергии в тепло в электрических машинах принято называть потерями, так как тепло­вая энергия при эксплуатации электрических машин, как правило, не используется в прак­тических целях. В электрических машинах большой мощности в тепло преобразуются единицы или даже доли процентов энергии, подводимой к электрическим выводам или валу машины. В машинах малой мощности в тепло может преобразовываться большая часть энергии, подводимой к машине, поэтому КПД машин малой мощности неболь­шой.

 

Рисунок 2.1 - Электрическая машина как шестиполюсник

 

Для общего представления о работе машины как преобразователя энергии ее можно представить в виде шестиполюсника (см. рисунок 2.1), у которого есть два электрических вывода U, 1, два механических вывода М, п и два тепловых Q, t. Электрические выводы связаны с электрической мощностью и ха­рактеризуются напряжением U и током 1; механические связаны с механической мощ­ностью и характеризуются моментом на валу машины М и частотой ее вращения и; тепловые выводы связаны с потерями энер­гии, возникающими в процессе преобразова­ния, и характеризуются количеством выде­ленного тепла Q и температурой частей электрической машины t. Внутреннее сопро­тивление машины в самом общем случае можно охарактеризовать сопротивлением Zэ,м.

Работа электрической машины - может происходить в двух основных режимах: уста­новившемся и динамическом, или переход­ном. В установившемся режиме все входные величины на выводах шестиполюс­ника, представляющего электрическую ма­шину, и сопротивления самой машины неиз­менны во времени. В динамическом режиме обязательно изменяются одна, не­сколько или все входные величины и пара­метры машины. В связи с этим анализ работы машины в динамических режимах значительно более сложен, чем в установив­шихся.

При работе электрической машины ге­нератором механическая энергия подво­дится к валу, т.е. к механическим выводам М, п (см. рисунок 2.1), а электрическая энергия сни­мается с выводов U, I. При работе двига­телем энергия подается на электрические выводы, а снимается с механических. По­мимо двигательного или генераторного ре­жима электрические машины могут работать также в тормозном и трансформаторном режимах.

Трансформаторный режим ха­рактерен для асинхронных машин с фазными роторами. Он возникает при заторможенном (неподвижном) роторе и включении обмотки статора в сеть. Преобразования электриче­ской энергии в механическую в этом режиме не происходит, так как частота вращения ро­тора равна нулю. Электрическая энергия, подводимая к статору, преобразуется в элек­трическую энергию, которая снимается с выводов роторной обмотки. В этом случае механические выводы рассматриваемого ше­стиполюсника должны быть заменены на электрические.

Специально рассчитанные асинхронные машины могут длительное время работать в трансформаторном режиме. При различ­ных положениях фазного ротора такой ма­шины оси фаз обмотки ротора изменяют свое положение относительно обмотки ста­тора, что вызывает изменение амплитуды и фазы напряжения на обмотке ротора. Этот принцип регулирования используется в ин­дукционных регуляторах и фазорегуляторах, получивших распространение в различных схемах регулирования, например в испыта­тельных установках большой мощности.

В тормозном режиме направление вращения ротора обратно направлению вра­щения поля. При этом машина потребляет как электрическую энергию со стороны элек­трических выводов, так и механическую энергию со стороны механических выводов шестиполюсника (см. рисунок 2.1). Вся потребляемая энергия преобразуется в тепловую и расхо­дуется внутри машины на нагрев ее частей, а также рассеивается в окружающую среду. Тормозные режимы — самые тяжелые с точ­ки зрения нагрева частей электрической ма­шины, поэтому большинство электрических машин рассчитано лишь на кратковремен­ную работу в тормозных режимах.

Различают два вида электрического тор­можения: динамическое и рекуперативное. При динамическом торможении, при­меняемом, например, в двигателях постоян­ного тока, якорь машины отключается от сети и включается на резистор при остав­шейся включенной обмотке возбуждения. Машина работает как генератор постоян­ного тока, потребляя механическую энергию вращающихся частей и генерируя электриче­скую энергию, которая расходуется на на­грев включенного резистора.

При рекуперативном торможении двигатель также переходит в генераторный режим и генерируемая энергия отдается в сеть. Рекуперативное торможение харак­терно для асинхронных двигателей, напри­мер для двигателей приводов лифтов, в которых путем переключения во время работы машины статорной обмотки на большее чис­ло полюсов уменьшается частота вращения поля. Ротор по инерции некоторое время продолжает вращаться с прежней частотой, большей, чем частота вращения поля после переключения числа полюсов обмотки. В это время машина работает в генераторном режиме и отдает электрическую энергию в сеть, потребляя кинетическую энергию дви­жущихся частей приводного механизма. При замедлении частоты вращения ротора до ча­стоты ниже синхронной машина опять пере­ходит в двигательный режим и работает с частотой вращения, соответствующей но­вому числу полюсов обмотки статора.

Для синхронных машин важным явля­ется режим синхронного компенсатора, при котором активная электрическая мощность, получаемая из сети, расходуется только на потери внутри машины, а синхронная ма­шина генерирует или потребляет из сети реактивную мощность. В компенсаторном режиме могут работать все синхронные ма­шины, однако для практического использо­вания производят специальный тип машин — синхронные компенсаторы, в которых ге­нерирование или потребление реактивной мощности происходит с наименьшими поте­рями активной энергии.

По характеру нагрузки и частоте вра­щения ротора различают также режимы нагрузки, холостого хода и короткого за­мыкания машины.

При холостом ходе нагрузка на валу в двигательном режиме или электриче­ская мощность на выводах в генераторном режиме равна нулю. В режиме, близком к холостому ходу, работают многие электри­ческие машины, в том числе и целый класс индикаторных машин, к которым относятся тахогенераторы, вращающиеся трансформа­торы, сельсины и т. п.

В режиме короткого замыкания генераторов сопротивление нагрузки равно нулю. В режиме короткого замыкания двига­телей равна нулю частота вращения. Режим короткого замыкания характерен для на­чального момента пуска двигателя из непо­движного состояния. При включении об­мотки статора на номинальное напряжение ток двигателя достигает больших значений, поэтому длительный режим короткого замы­кания опасен для машин, не рассчитанных на работу при таких условиях. Короткое замы­кание двигателей и генераторов, проводимое при пониженном напряжении, используется при испытаниях электрических машин для опытного определения ряда их параметров.

 

3 Лекция №3. Электрические машины как основа электроэнергетики

Цель лекции:

- ознакомить студентов с  электроме­ханическими преобразователями энергии, принципом образо­вания вращающегося поля, обобщенной электрической машиной.

Содержание лекции:

- электрические машины — это электроме­ханические преобразователи;

- принцип образо­вания вращающегося поля;

- обобщенная электрическая машина;

- основные конструктивные исполнения электрических машин.

Электрические машины — это электроме­ханические преобразователи, в которых осу­ществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Основное отличие электри­ческих машин от других преобразователей в том, что они обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режиме двигате­ля, преобразуя электрическую энергию в ме­ханическую, и в режиме генератора, преобра­зуя механическую энергию в электрическую.

По виду создаваемого в машинах поля, в котором происходит преобразование энер­гии, электрические машины подразделяются на индуктивные, емкостные и ин­дуктивно-емкостные. Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства элек­трические машины — индуктивные. Преобра­зование энергии в них осуществляется в маг­нитном поле. Емкостные электрические ма­шины, хотя и были изобретены задолго до индуктивных, до сих пор не нашли практиче­ского применения из-за сложности создания достаточно мощного электрического поля, в котором происходит преобразование энер­гии. Индуктивно-емкостные машины появи­лись лишь в последние годы. Преобразова­ние энергии в них происходит в электромаг­нитном поле, и они объединяют свойства индуктивных и емкостных электрических ма­шин.

Для того чтобы электрическая машина работала, в ней должно быть создано вра­щающееся магнитное поле. Принцип образо­вания вращающегося поля у всех машин один и тот же.

Простейшей электрической машиной является идеальная обобщенная электрическая машина (см. рисунок 3.1), т. е. машина сим­метричная, ненасыщенная, имеющая гладкий воздушный зазор. На статоре и роторе такой машины расположены по две обмотки: Wsα и Wsβ на статоре, Wrα  и Wrβ на роторе, сдвинутые в пространстве относительно друг друга на электрический угол, равный 90°. Если к об­моткам статора или ротора такой машины подвести токи, сдвинутые во времени на электрический угол 90°, то в воздушном за­зоре машины будет вращающееся круговое поле. При симметричном синусоидальном напряжении поле будет синусоидальное, так как идеальная машина не вносит в зазор пространственных гармоник. Все реальные электрические машины в той или иной сте­пени отличаются от идеальной машины, так как в воздушном зазоре реальной машины нельзя получить синусоидальное поле.

Для того чтобы МДС, необходимая для создания магнитного поля, не была чрез­мерно велика, статор и ротор электрической машины выполняют из ферромагнитного материала, магнитная проводимость которо­го во много раз больше, чем проводимость неферромагнитной среды (μст » μо ).

 


Рисунок 3.1 - Обобщенная электрическая машина

При этом магнитные силовые линии поля замы­каются по магнитопроводу машины и прак­тически не выходят за пределы ее активных частей. Участки магнитопровода, в которых поток переменный, для уменьшения потерь на вихревые токи и гистерезис выполняют шихтованными из тонких листов электротех­нической стали. Участки магнитопровода машин, в которых поток постоянный (напри­мер, полюсы и станины машин постоянного тока), могут быть выполнены массивными из конструкционной стали.

Непременным условием преобразования энергии является изменение потокосцепления обмоток в зависимости от взаимного поло­жения ее частей — статора и ротора. Это условие может быть выполнено при раз­личных вариантах конструктивных форм магнитопровода и при различных конструк­циях и расположении обмоток (см. рисунок 3.2, а - г). Тот или иной вариант выбирается в зависи­мости от рода питающего (или генерируе­мого) тока, наиболее удобного способа соз­дания поля и типа машины. Для преобразо­вания энергии в подавляющем большинстве электрических машин' используется враща­тельное движение.

Электрические машины обычно выпол­няются с одной вращающейся частью - ци­линдрическим ротором и неподвижной частью - статором. Такие машины назы­ваются одномерными. Они имеют одну степень свободы. Почти все выпускаемые промышленностью машины - одномерные с цилиндрическим вращающимся ротором и внешним неподвижным статором.

Электромагнитный момент в электриче­ских машинах приложен и к ротору, и к ста­тору. Если дать возможность вращаться обеим частям машины, они будут переме­щаться в противоположные стороны. У ма­шин, в которых вращаются и ротор, и статор, две степени свободы. Это двух­мерные машины. В навигационных прибо­рах ротором может быть шар, который вращается относительно двух статоров, расположенных под углом 90о. Такие машины имеют три степени свободы. В космической электромеханике встречаются шестимерные электромеханические системы, в которых и ротор, и статор имеют по три степени свободы.

Электрические машины помимо враща­тельного могут иметь и возвратно-поступа­тельное движение (линейные машины). В та­ких машинах статор и ротор разомкнуты и магнитное поле отражается от краев, что приводит к искажению поля в воздушном за­зоре. Краевой эффект в линейных электриче­ских машинах ухудшает их энергетические показатели. Низкие энергетические пока­затели ограничивают применение электри­ческих машин с возвратно-поступательным движением. Из обычной машины с цилинд­рическим статором и ротором получаются машины с сегментным статором и линейные (см. рисунок 3.3). Если увеличить диаметр ротора сегментной машины до бесконечности, полу­чим линейный двигатель (см. рисунок 3.3,а). Ли­нейные двигатели постоянного и переменно­го тока находят применение в промышлен­ности для получения линейных перемещений. В генераторном режиме линейные машины практически не применяются.

В большинстве типов электрических ма­шин магнитное поле создается переменными токами обмоток статора и ротора. Однако существует класс машин, в которых поле создается постоянными токами обмоток, расположенных только на статоре. Преобра­зование энергии в них происходит за счет изменения магнитного потока в воздушном зазоре из-за изменения его проводимости при вращении ротора.

 

Рисунок  3.2 - Основные конструктивные исполнения электрических машин:

а - асинхронная; б — синхронная; в — коллекторная; г — индукторная

 

 

 

Рисунок 3.3 - Модификация конструктивного ис­полнения электрических машин:

а — машина с сегментным статором;

 

Ротор в таких ма­шинах имеет ярко выраженные зубцы, перемещение которых относительно статора вызывает изменение магнитного сопротивле­ния на участках зазора и потокосцепления обмотки статора. Такие машины называют параметрическими или индуктор­ными. Конструктивные исполнения индук­торных машин весьма разнообразны. Наи­большее распространение получила кон­струкция индукторной машины с двумя роторами 1 и статорами 2 (см. рисунок 3.4). Если роторы сдвинуты относительно друг друга на электрический угол 90°, общее магнитное сопротивление машины во время вращения роторов не изменяется и в обмотке возбуж­дения 3, питающейся постоянным током, не наводится переменная составляющая напря­жения. Обмотки на роторах отсутствуют. При работе машины с обмоток переменного тока 4, расположенных в пазах каждого ста­тора, снимается напряжение. Поток возбуж­дения замыкается по корпусу статора и втулке ротора 5, насаженной на вал.

В зависимости от рода потребляемого или отдаваемого в сеть тока электрические машины подразделяются на машины пе­ременного и постоянного тока. Машины переменного тока делятся на син­хронные, асинхронные и коллекторные.

В синхронных машинах поле воз­буждения создается обмоткой, расположенной на роторе, которая питается постоянным током. Обмотка статора соединена с сетью переменного тока. В обычном исполнении машин вращающийся ротор с обмоткой воз­буждения располагается внутри статора, а статор неподвижен. Обращенная конструк­ция, при которой ротор с обмоткой возбуж­дения неподвижен, а вращается статор, в синхронных машинах встречается редко из-за сложности подвода тока к вращаю­щейся обмотке переменного тока.

Ротор синхронной машины может быть явнополюсным, т. е. с явно выраженными полюсами, имеющими ферромагнитные сер­дечники с насаженными на них многовитковыми катушками возбуждения. Роторы синхронных машин, рассчитанных на частоту вращения 1500 и 3000 об/мин и выше, обыч­но выполняются неявнополюсными. При этом обмотка возбуждения укладывается в профрезерованные в роторе пазы. Обмотка переменного тока синхронных машин, как правило, распределенная, т. е. расположена равномерно по окружности внутреннего диа­метра статора в пазах его магнитопровода.

В асинхронных машинах специаль­ная обмотка возбуждения отсутствует, рабо­чий поток создается реактивной составляю­щей тока обмотки статора. Этим объясняет­ся простота конструкции и обслуживания асинхронных двигателей, так как отсут­ствуют скользящие контакты для подвода тока к вращающейся обмотке возбуждения и отпадает необходимость в дополнитель­ном источнике постоянного тока для воз­буждения машины. Обмотки статоров и ро­торов асинхронных машин распределенные и размещены в пазах их магнитопроводов.

На роторах асинхронных машин распо­лагается либо фазная, т. е. имеющая обычно столько же фаз, сколько и обмотка статора, изолированная от корпуса обмотка, либо короткозамкнутая. Короткозамкнутая обмотка ротора состоит из расположенных в пазах ротора замкнутых между собой по обоим торцам ротора неизолированных стержней из проводникового материала.

 

 

 

Рисунок 3.4 - Индукторная машина с двумя роторами

 

Она может быть также выполнена заливкой пазов алю­минием. В зависимости от типа обмотки ротора различают асинхронные двигатели с фазными роторами или асинхронные дви­гатели с короткозамкнутыми роторами.

Нормальное исполнение асинхронных машин — с ротором, расположенным внутри статора. Однако для некоторых приводов, например привода транспортера, оказывает­ся выгоднее расположить вращающийся ро­тор снаружи статора. Такие машины назы­вают обращенными или машинами с внеш­ним ротором. Они выполняются обычно с короткозамкнутыми роторами.

Среди коллекторных машин пе­ременного тока получили распространение в основном однофазные двигатели малой мощности. Они находят применение в при­водах, к которым подвод трехфазного или постоянного тока затруднен или нецелесо­образен (в электрифицированном инстру­менте, бытовой технике и т. п.). В машинах средней и тем более большой мощности кол­лекторные машины переменного тока в настоящее время в СССР не применяются. Исключение составляют отдельные спе­циальные машины, например машины типа двигателя Шраге — Рихтера.

Большинство машин постоянного тока — это коллекторные машины. Они вы­пускаются мощностью от долей ватта до нескольких тысяч киловатт. Обмотки воз­буждения машин постоянного тока распола­гаются на главных полюсах, закрепленных на станине. Выводы секций обмотки ротора (якоря) впаяны в пластины коллектора. Кол­лектор, вращающийся на одном валу с яко­рем, и неподвижный щеточный аппарат слу­жат для преобразования постоянного тока сети в переменный ток якоря (в двигателях) или переменного многофазного тока якоря в постоянный ток сети (в генераторах по­стоянного тока).

Конструкция машин постоянного тока более сложная, стоимость выше и эксплуа­тация более дорогая, чем асинхронных, по­этому двигатели постоянного тока приме­няются в приводах, требующих широкого и плавного регулирования частоты враще­ния, или в автономных установках при пита­нии двигателей от аккумуляторных батарей.

Подавляющее число машин постоянного тока выполняется с коллектором — механи­ческим преобразователем частоты. Но суще­ствует несколько типов и бесколлекторных машин, например униполярные генераторы (см. рисунок 3.5), которые используются для получе­ния больших токов (до 100 кА) при низких напряжениях.

 

Рисунок 3.5 - Униполярная электрическая машина

В таких машинах коллектор отсутствует, но они могут работать только при наличии скользящего контакта, который состоит из щеток 1 и колец 2. Постоян­ный магнитный поток, созданный токами обмотки возбуждения 5, замыкается по ста­нине 3, массивному ротору 4 и двум зазо­рам. Постоянные токи наводятся в массив­ном роторе и снимаются щетками. Чтобы уменьшить электрические потери в роторе, в нем делают пазы, в которые укладывают медные стержни б. Стержни, приваренные к контактным кольцам, образуют на роторе короткозамкнутую обмотку.

В последние годы получили распростра­нение также бесколлекторные машины по­стоянного тока с вентильным управлением, в которых механический преобразователь ча­стоты заменен преобразователем частоты на полупроводниковых элементах .

Несмотря на большое число различных типов электрических машин и независимо от их конструктивного исполнения, рода и числа фаз питающего тока и способов созда­ния магнитных полей преобразование энер­гии в машинах происходит только при сле­дующем условии: во всех электрических машинах в установившихся режимах поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга. Поле ротора, которое создается токами, протекающими в обмотке ротора, вращается относительно ротора. При этом механическая частота вращения ротора и частота вращения поля относительно ро­тора в сумме равны частоте вращения поля статора, поэтому частоты токов в статоре и роторе жестко связаны соотношением

 

f2=f1s

 

где f2 ,  f1    — частоты тока и напряжения ста­тора и ротора; s - относительная частота вращения ротора или скольжение, определяе­мое частотой вращения поля статора n1  и частотой вращения ротора машины п2:

 

s=(n1 ± n2) / n1

 

n =n1, т. е. ротор синхронной машины вращается синхронно с полем, соз­данным токами обмотки статора.

Жесткая связь частоты тока и частоты вращения определила область применения синхронных машин. Синхронные генераторы являются практически единственными мощ­ными генераторами электрической энергии на электростанциях. Синхронные двигатели с учетом трудностей их пуска применяются как приводы промышленных установок, дли­тельно работающих при постоянной частоте вращения и не требующих частых пусков, на­пример как приводные двигатели воздуходу­вок, компрессоров.

В асинхронных машинах ток в обмотке ротора обусловлен ЭДС, наведенной в про­водниках обмотки магнитным полем ста­тора.

Наведение ЭДС происходит только при пересечении проводниками магнитных силовых линий поля, что возможно лишь при неравенстве частот вращения ротора и поля статора (п2 n1). Частота тока в роторе равна f2=f1 s, что обеспечивает взаимную неподвижность поля токов ротора и поля статора, а частота вращения ротора при этом равна n2 =nl (1 — s). При скольжении s = 1 ротор неподвижен (f2 = f1), преобразо­вания механической энергии не происходит и имеет место трансформаторный режим ра­боты машины.

При питании обмотки ротора постоян­ным током машина переходит в синхрон­ный режим работы. При питании ротора переменным током асинхронный двигатель может вращаться с частотой большей, чем частота поля статора. Такие режимы исполь­зуются редко из-за сложности пуска ма­шины: необходим разгонный двигатель либо преобразователь частоты.     В машинах постоянного тока поле воз­буждения создается постоянным током, а поле якоря — переменным. Преобразование постоянного тока сети в многофазный пере­менный ток якоря происходит с помощью механического преобразователя — коллекто­ра. Частота переменного тока якоря опреде­ляется частотой его вращения, и магнитное поле, создаваемое током якоря, неподвижно относительно поля возбуждения машины.

 

4 Лекция №4. Математическое описание процессов преобразования энергии

Цель лекции:

- ознакомить студентов с системой уравнений, описывающих процессы электромеханического преоб­разования энергии, дифференциальными уравнениями, описы­вающих переходные и установившиеся про­цессы в обобщенной машине, моделью обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Содержание лекции:

- система уравнений, описываю­щих процессы электромеханического преоб­разования энергии;

- дифференциальные уравнения, описы­вающие переходные и установившиеся про­цессы в обобщенной машине;

- модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Математическая модель электрической машины — это система уравнений, описываю­щих процессы электромеханического преоб­разования энергии с допущениями, обеспечи­вающими необходимую точность решения для рассматриваемой задачи. Математиче­ские модели электрических машин широко используются для исследования электроме­ханических систем благодаря применению аналоговых и цифровых вычислительных ма­шин. В настоящее время созданы модели, позволяющие исследовать практически лю­бые задачи, встречающиеся в электромаши­ностроении .

Несмотря на бесконечное конструктив­ное разнообразие индуктивных электрических машин все электрические машины с круговым полем в воздушном зазоре можно свести к обобщенной электрической машине. Обобщенная элек­трическая машина — это идеализированная двухполюсная машина с двумя парами об­моток на статоре и роторе. В ней энергия магнитного поля сосредоточена в воздуш­ном зазоре и поле синусоидальное. В воз­душном зазоре обобщенной машины вра­щающееся магнитное поле может создавать­ся обмотками статора и ротора. Напряжения статора или ротора создают сдвинутые во времени токи, а за счет пространственного сдвига обмоток в зазоре создается вращаю­щееся поле.

Машины постоянного тока получаются из модели обобщенной электрической ма­шины, если обмотки ротора или статора питать через преобразователь частоты.

В машинах постоянного тока преобра­зователем частоты является механический преобразователь частоты — коллектор. По­стоянный ток преобразуется в многофазный переменный ток, который создает вра­щающееся поле, неподвижное относительно обмотки возбуждения, расположенной на статоре.

Как в машинах переменного, так и в машинах постоянного тока много фазная симметричная обмотка приводится к двух­фазной, которая и рассматривается в обоб­щенной электрической машине. Процессы преобразования энергии в много­полюсных машинах приводятся к процессам в двухполюсной машине.

Уравнения  обобщенной  электрической машины были предложены Г. Кроном в 30-х годах, и в последние десятилетия теория обобщенной машины получила дальнейшее развитие в работах советских и зарубежных ученых.

 

 

 

Рисунок 4.1 - Модель двухфазной машины в не­преобразованной системе координат

 

Дифференциальные уравнения, описы­вающие переходные и установившиеся про­цессы в обобщенной машине в естественных или фазовых непреобразованных координа­тах (см. рисунок 4.1), имеют вид

 

uas=iasras+as /dt;

                                             ubs=iasras+as /dt ;                                       (4.1)

                                             - uas=iasras+as /dt;

                                             - ubs=iasras+as /dt.

 

В (4.1) потокосцепления обмоток

 

Ψas= Lasia s+ M(cos Ґ)iar + M (sinҐ) ibr;

Ψas= Lbsibs + M(cos Ґ)ibr – M (sinҐ )iar;                                                     (4.2)

Ψar= Laria r+ M(cos Ґ)ias - M (sinҐ) ibs;

Ψar= Lbribsr+ M(cos Ґ)ibs + M (sinҐ )ias.

 

 

 В (4.1) и (4.2) uas, ubs, uar, ubr - напряжения на обмотках статора и ротора ; ias, ibs, ir, ibr токи в обмотках статора и ротора; ras, rbs, rr, rbr  — активные сопротивления обмоток статора и ротора; Las, Lbs, Lr, Lbr  — индуктивности обмоток статора и ротора; М — взаимная индуктивность между обмот­ками статора и ротора; Ґ — угол между осями обмоток статора и ротора.

Если подставить (4.2) в (4.1), получатся громоздкие уравнения с периодическими коэффициентами. Для упрощения уравнений электромеханического преобразования энер­гии рассматривается псевдонеподвижная ма­шина, в которой в обмотки ротора вводится ЭДС вращения. При этом в неподвижной и вращающейся машинах токи,  активная и реактивные мощности остаются неизмен­ными.

 В неподвижной системе координат α, δ  уравнения обобщенной машины, выражен­ные через потокосцепления, выглядят следующим образом:

 

 

             uαs = iαs rαs + ;

                    uβs = iβs rβs + ;                                                                       (4.3)

 

              uαs = iαs rαs + + ωrψβr ;

              uβs = iβs rβs +  - ωrψαr .                                                         (4.4)

 

 

 

 

Подставляя в (4.4) значения потокосцеплений

(4.3)

 

ψαs = Lαsiαs + Miαr;

                                           ψβs = Lβsi βs + Miβr;                                    (4.5)

ψαr = Lαriαr + Miαs;

ψβr = Lβri βr + Miβs;

 

получаем выраженные через токи уравнения напряжений для машины, которые удобно записывать в матричной форме: 

                                      

 

uαs

 

                             0              0

 

 

iαs

 

uαr

 

 

uβr

 

=

                        Lβrωr         Mωr

- Mωr             -Lαrωr                   

 X

iαr

 

 

iβr

   

uβs

 

 

0              0                           

 

iβs

 

В (4.1)-(4.5) uαs, uβs, uαr, uβr, iαs, iβs, iαr, iβr,                                                                                                                           - соответственно напряжения и токи в об­мотках статора и ротора по осям α и β; rαs, rβs, rαr, rβr,  — активные сопротивления обмоток статора и ротора; М — взаимная индуктив­ность; Lαs, Lβs, Lαr, Lβr,   — полные индуктивности обмоток статора и ротора по осям α и β ; ωr — угловая скорость ротора.

Индуктивности обмоток определяются по известным соотношениям

 

Lαs =M +lαsLβs =M +lβs

 

где  lαslβs, lαrlβr    — индуктивности рассеяния об­моток статора и ротора по осям α и β.

Активные сопротивления и индуктивно­сти в (4.4) относятся к фазе машины и опре­деляются расчетным и опытным путем.

Применяя преобразования координат при инвариантной мощности, получают уравнения в других координатах.

Процессы преобразования энергии в пе­реходных процессах описываются уравне­ниями напряжений (4.1) или (4.2) и уравне­нием движения

 

                                 Mэ =                                                        (4.6)

 

где Мэ — электромагнитный вращающий мо­мент — момент, создаваемый машиной; Мс — момент сопротивления с учетом момента тре­ния; р — число пар полюсов; Jмомент инерции.

 

Вращающий момент

                             Мэ ,                                                         (4.7)

 

где m — число фаз.

Вращающий момент может быть выра­жен:

         через потокосцепления (4.5)

 

                         Мэ = ,                                     (4.8)

 

          через потокосцепления и токи статора:

 

                             Мэ = ,                                                    (4.9)

 

          через потокосцепления и токи ротора:

 

                              Мэ = .                                                 (4.10)

 

Справедливость (4.8) - (4.10) подтверж­дается, если в (4.9) подставить значения потокосцеплений и токов из (4.2). Вращающий момент после преобразований (4.9) - (4.10) может иметь и другой вид. Вращающий мо­мент можно определить также через намаг­ничивающие токи и через изменение энергии магнитного поля или из выражения вектора Пойнтинга.

При круговом поле в воздушном зазоре наращивание сложности уравнений происхо­дит при учете нелинейностей параметров и учете нескольких контуров на статоре и роторе.

Уравнения электромеханического преоб­разования энергии усложняются при наличии двух полей в воздушном зазоре машины. При эллиптическом поле система уравнений электромеханического преобразования энер­гии состоит из восьми уравнений напряже­ния и уравнения электромагнитного момента с четырьмя парами произведений токов в об­мотках статора и ротора. Число уравнений увеличивается при учете контуров с токами на статоре и роторе. Учет нескольких полей и контуров на статоре и роторе приводит к системе с несколькими десятками уравне­ний. Наиболее простая система уравнений — система уравнений третьего порядка — полу­чается, если использовать описание процес­сов преобразования энергии через обобщен­ные векторы

                                          U=;                              (4.11)

 

U= - rψr.

 

Система уравнений (4.11) и уравнение движения (4.6) описывают динамические и статические характеристики электрической машины.

Уравнения установившегося режима по­лучаются из дифференциальных уравнений путем замены в уравнениях электромехани­ческого преобразования энергии оператора дифференцирования

d/dt

В установившемся режиме уравнения на­пряжений и уравнение движения могут рас­сматриваться независимо друг от друга. Простейшие уравнения в установившемся ре­жиме получаются из схем замещения элек­трических машин и упрощенных уравнений, на базе которых строятся векторные диа­граммы.  Круговое поле в воздушном зазоре может быть только в идеализированной маши­не. В воздушном зазоре реальной электриче­ской машины имеется бесконечный произ­вольный спектр гармоник поля, состоящий из временных и пространственных гармоник. Высшие гармоники в воздушном зазоре ма­шины появляются за счет несинусоидаль­ности напряжений, несинусоидального рас­пределения МДС, неравномерности зазора, насыщения и других причин.

 

5 Лекция  №5. Обобщенный электромеханический преобразователь

Цель лекции:

- ознакомить студентов с моделью обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Содержание лекции:

- модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя.

Наиболее общей математической мо­делью, позволяющей записать уравнения для бесконечного спектра гармоник и любого числа контуров на статоре и роторе, явля­ется модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя — двухфазной элек­трической машины с т обмотками на стато­ре и п обмотками на роторе (см. рисунок 5.1).

Модель обобщенного электромеханиче­ского преобразователя дает возможность за­писать уравнения при наличии высших гар­моник в воздушном зазоре и нескольких контуров на статоре и роторе.

Для обобщенного электромеханического преобразователя записываются уравнения в матричной форме:

 

                       U=ZI;   МЭ = М Is Ir.                                                         (5.1)

 

В (5.1) входят столбцовые субматрицы напряжений и токов с т, п числом напряже­ний и токов. В матрицу сопротивлений Z входят 12 сложных субматриц сопротивле­ний .

Электромагнитный момент определяется произведениями всех токов, протекающих в обмотках статора и ротора обобщен­ного электромеханического преобразователя (5.1).

 

 

Рисунок 5.1 - Математическая мо­дель обобщенного электромеха­нического преобразователя

 

Современные ЭВМ позволяют решать в течение нескольких минут 30-40 уравне­ний, составленных на основе модели обоб­щенного электромеханического преобразова­теля. Это обеспечивает учет трех-четырех гармоник в воздушном зазоре и двух-трех контуров на статоре и роторе.

При исследовании электрических машин используются также уравнения, составлен­ные на базе уравнений теории поля. Они дают возможность решать многие задачи статики. Однако при решении задач дина­мики уравнения обобщенного электромеха­нического преобразователя имеют большие преимущества. Развитие теории электриче­ских машин долгое время шло по пути при­менения отдельно уравнений поля и теории цепей, тогда как наиболее плодотворным является их сочетание в математической мо­дели.  Развитие современной теории электро­механического преобразования энергии поз­воляет составить математическое описание процессов преобразования энергии для лю­бого случая, встречающегося в практике современного электромашиностроения. Ква­лификация инженера-электромеханика во многом определяется умением упростить ма­тематическую модель без потери необходи­мой точности и возможности решения по­ставленной задачи в кратчайшие сроки с помощью имеющейся вычислительной тех­ники.

 

6 Лекция №6 Трансформаторы. Назначение, принцип действия и устройство

Цель лекции:

-ознакомить студентов с  элементами  конструкции трансформаторов;

 - с режимом  холостого хода.

Содержание лекции:

           - общие сведения о трансформаторах;                      

-  назначение трансформаторов;

- элементы конструкции трансформаторов;

- режим холостого хода..     

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный преобразователь с двумя или больше обмотками, предназначенный (наиболее часто) для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Преобразование энергии в трансформаторе осуществляется переменным магнитным полем. Трансформаторы широко применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния, при распределении ее между приемниками, а также в различных выпрямительных, усилительных, сигнализационных и других устройствах. При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям сила тока в линии обусловливает потери энергии в этой линии и расход цветных металлов на ее устройство. Если при одной и той же передаваемой мощности увеличить напряжение, то сила тока в такой же мере уменьшится, а, следовательно, можно будет применить провода с меньшим поперечным сечением. Это сократит расход цветных металлов при устройстве линии электропередачи и снизит потери энергии в ней. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях синхронными генераторами при напряжении 11-20 кВ; в отдельных случаях применяется напряжение 30-35 кВ. Хотя такие напряжения являются слишком высокими для их непосредственного использования в производстве и для бытовых нужд, они недостаточны для экономичной передачи электроэнергии на большие расстояния. Дальнейшее повышение напряжения в линиях электропередачи (до 750 кВ и более) осуществляют повышающими трансформаторами.

Приемники электрической энергии (лампы накаливания, элек­тродвигатели и др.) из соображений безопасности рассчитывают на более низкое напряжение (110-380 В). Кроме того, изготовление электрических аппаратов, приборов и машин на высокие напряжения связано со значительными конструктивными сложностями, так как токоведущие части этих устройств при высоком напряжений требуют усиленной изоляции. Поэтому высокое напряжение, при котором происходит передача энергии, не может быть непосредственно использовано для питания приемников и подводится к ним через понижающие трансформаторы.

Электрическую энергию переменного тока по пути от электростанции, где она вырабатывается, до потребителя приходится трансформировать 3-4 раза. В распределительных сетях понижающие трансформаторы нагружаются неодновременной нагрузкой и не на полную мощность. Поэтому полная мощность трансформаторов, устанавли­ваемых для передачи и распределения электроэнергии, в 7-8 раз больше мощности генераторов, устанавливаемых на электростан­циях.

На рисунке 6.1 изображена принципиальная схема включения транс­форматора, на которой для ясности первичная 1 и вторичная 3 обмотки помещены на разных стержнях стального

 

 

 

 

 

 

Рисунок 6.1- Принципиальная схема включения трансформатора

 

магнитопровода 2. В действительности каждая обмотка размещается на обоих стержнях так, что половины двух обмоток находятся на левом, а вторые половины — на правом стержне магнитопровода. При таком расположении обмоток достигается лучшая магнитная связь между ними, благодаря че­му снижаются потоки рассеяния, которые не участвуют в процессе трансформирования энергии. Действие трансформатора основано на явлении взаимной индукции. Если первичную обмотку 1 трансформатора включить в сеть источника переменного тока, то по ней будет протекать переменный ток , который создает в сердечнике 2 трансформатора пере­менный магнитный поток. Этот магнитный поток, пронизывая витки вторичной обмотки 3, будет индуктировать в ней э.д.с.  . Если вторичную обмотку замкнуть на какой-либо приемник энергии (лампа накаливания 4), то под действием индуктируемой э.д.с.  по этой обмотке и через приемник энергии начнет протекать ток 12. Одновременно в первичной обмотке также появится нагрузочный ток, который в сумме с током  составит ток первичной обмотки. Таким образом, электрическая энергия, трансформируясь, будет передаваться из первичной сети во вторичную при напряжении, на которое рассчитан приемник энергии, включенный во вто­ричную сеть.

В целях улучшения магнитной связи между первичной и вторичной обмотками их помещают на стальном магнитопроводе. Обмотки изолируют как друг от друга, так и от магнитопровода. Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку более низкого напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН). Обмотку, включенную в сеть источника электрической энергии, называют первичной; обмотку, от которой энергия подается к приемнику,— вторичной. Обычно напряжения первичной и вторичной обмоток неодинаковы. Если первичное напряжение меньше вторичного, трансформатор называют повышающим, если же первичное напряжение больше вторичного — понижающим. Любой трансформатор может быть использован и как повышающий и как понижающий. Повышающие трансформаторы применяют для передачи электроэнергии на большие расстояния, а понижающие - для распределения электроэнергии между потребителями.

В трехобмоточных трансформаторах на сердечнике помещают три изолированные друг от друга обмотки. Такой трансформатор дает возможность получить два различных напряжения и снабжать электрической энергией две различные группы приемников. Помимо обмоток ВН и НН трехобмоточный трансформатор имеет обмотку среднего напряжения (СН).

Обмоткам трансформатора придают преимущественно цилиндрическую форму, выполняя их при малых токах из круг­лого медного изолированного провода, а при больших токах из медных шин прямоугольного поперечного сечения. Ближе к сердечнику располагают обмотку НН, так как ее легче изолировать от него, чем обмотку ВН. Расположение обмоток на сердечнике трансформатора показано на рисунке 6.2. Обмотку НН изолируют от сердечника прослойкой из какого-либо изоляционного материала. Такая же изолирующая прокладка имеется между обмотками ВН и НН.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 6.2- Расположение обмоток трансформатора на магнитопроводе

 

При цилиндрических обмотках поперечному сечению стержня магнитопровода желательно придать круглую форму, чтобы в площади, охватываемой обмотками, не оставалось немагнитных промежутков. Чем меньше немагнитные промежутки, тем меньше длина витков обмоток, а следовательно, и масса меди при заданной площади сечения стального стержня. Однако стержни круглого сечения изготовить сложно. Магнитопровод набирают из тонких стальных листов и для получения стержня круглого сечения понадобилось бы большое число стальных листов различной ширины, а это потребовало бы изготовления множества штампов. Поэтому в трансформаторах большой мощности сердечник имеет ступенчатое поперечное сечение с числом ступеней не более 9-10. Число ступеней сечения сердечника определяется числом углов в одной четверти круга. Ярмо магнитопровода, т. е. та его часть, которая соединяет стержни, имеет также ступенчатое сечение.

Для лучшего охлаждения в магнитопроводах мощных трансформаторов устраиваются охлаждающие (вентиляционные) каналы в плоскостях, параллельных и перпендикулярных плоскостях стальных листов. Вентиляционные каналы устраивают также и на обмотках.

В трансформаторах малой мощности площадь поперечного сечения провода мала и выполнение обмоток упрощается. Магнитопроводы таких трансформаторов имеют прямоугольное поперечное сечение.

Полезную мощность, на которую рассчитан трансформатор по условиям нагревания, называют номинальной. Таким образом, номинальной мощностью трансформатора называется мощность его вторичной обмотки при полной (номинальной) нагрузке. Эта мощность выражается в единицах полной мощности, т. е. в вольт-амперах (В-А) или киловольт-амперах (кВ-А). Все прочие величины, характеризующие работу трансформатора в условиях, на которые они рассчитаны, также называют номинальными. Каждый трансформатор снабжается щитком из материала, не подверженного атмосферным влияниям. Этот щиток прикреплен к баку трансформатора на видном месте и содержит его номинальные данные, которые нанесены травлением, гравировкой, выбиванием или другими способами, обеспечивающими видимость и долговечность знаков.

 

 

7 Лекция №7. Векторная диаграмма  трансформатора при холостом   ходе

Цель лекции:

- ознакомить студентов с принципом построения векторной диаграммы      трансформаторов.

Содержание лекции:

- режим холостого хода;

- векторная диаграмма  трансформатора при холостом ходе.

            Основной магнитный поток в магнитопроводе трансформатора индуктирует в первичной и во вторичной обмотках э.д.с. и . Помимо основного магнитного потока существует поток рассеяния первичной обмотки . Так как при х.х. во вторичной обмотке тока нет, то эта обмотка не возбуждает потока рассеяния. Магнитные линии, образующие поток рассеяния, пронизывают витки только первичной обмотки, в которой

индуктирует э.д.с. рассеяния . Поток рассеяния, замыкающийся через магнитную среду и встречающий на своем пути большое немагнитное сопротивление, очень мал по сравнению с основным магнитным потоком в магнитопроводе трансформатора . Поэтому  э.д.с. рассеяния также очень мала по сравнению с э.д.с, индуктированной основным магнитным потоком .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 7.1 - Векторная диаграмма (а) и эквивалентная схема (б) трансформатора при х.х.

Таким образом, в первичной обмотке трансформатора помимо приложенного напряжения  возникают э.д.с. от основного магнитного потока Е1 и от потока рассеяния Еs1. Первичная обмотка обладает активным сопротивлением  падение напряжения на котором при х.х. равно . Согласно второму закону Кирхгофа, геометрическая сумма э.д.с. равна сумме падений напряжений в сопротивлении цепи

 

                                                    .                                     (7.1)

 

Записав  ( - индуктивное сопротивление первичной обмотки), уравнению напряжений первичной обмотки трансформатора можно придать следующий вид  или .

На рисунке 7.1, а изображена векторная диаграмма трансформатора при х.х. По горизонтальной оси направлен вектор амплитуды основного магнитного потока Фm, который индуктирует в первичной и вторичной обмотках э.д.с.  и , отстающие от магнитного потока по фазе на четверть периода. Поэтому действующие значения э.д.с. обмоток трансформатора изображены векторами, повернутыми в сторону отставания (по часовой стрелке) относительно вектора магнитного потока на четверть периода. При построении векторной диаграммы предполагалось, что трансформатор, повышающий и э.д. с. вторичной обмотки больше, чем э.д.с. первичной (). Для понижающего трансформатора наоборот: . Ток х.х. возбуждающий магнитный поток, изображен вектором , повернутым в сторону опережения относительно вектора магнитного потока на угол а, называемый углом гистерезисного опережения или углом магнитного запаздывания. Обычно этот угол мал и составляет несколько градусов. Основной магнитный поток, магнитные линии которого замыкаются через сталь магнитопровода, отстает на угол d от тока за счет потерь в стали на гистерезис и на вихревые токи. Поток рассеяния Фs1, магнитные линии которого замыкаются через немагнитную среду, совпадает по фазе с вектором тока, его создающим э.д.с. рассеяния отстает от потока рассеяния на четверть периода и показана вектором , повернутым относительно вектора Фs1, на  сторону отставания. Вектор приложенного напряжения U1 определяется как геометрическая сумма трех векторов, стоящих в правой части уравнения равновесия э.д.с. Для этого, из начальной точки диаграммы 0 строим вектор -, равный и противоположно направ­ленный вектору э.д. с. первичной обмотки . Из конца вектора -  строим вектор , равный и противоположный вектору . Из конца вектора -  строим вектор, параллельный вектору тока х.х. Начало вектора - и конец вектора  соединим вектором , представляющим собой геометрическую сумму векторов -,- и . Следует иметь в виду, что векторная диаграмма изображена в искаженном масштабе. В действительности векторы  и  очень малы по сравнению с векторами  и - Поэтому при изображении диаграммы в масштабе векторы  и -  будут близки к совпадению.

Первичная обмотка трансформатора помимо активного сопротивления r1 имеет индуктивное Xt. Полное сопротивление этой обмотки .

Вектор -  можно представить произведением тока  на некоторое сопротивление. Это сопротивление непостоянно и содержит как индуктивное , так и активное сопротивление, так как угол между векторами -  и  больше нуля, но меньше 90°. Таким образом, - .

Так как ток  равен геометрической сумме активной  и реактивной  составляющей, то сопротивление  может быть представлено в виде двух параллельных ветвей, одна из которых содержит активное сопротивление , через которое протекает ток  а другая - реактивное , через которое протекает ток .

Уравнение напряжений первичной обмотки с учетом приведенных выше обозначений примет следующий вид: , т. е. трансформатор при х.х. может быть представлен эквивалентной схемой, состоящей из двух последовательно включенных сопротивлений  и , как изображено на рисунке 7.1. На эквивалентной схеме индуктивное сопротивление , учитывает действие основного магнитного потока, а активное сопротивление  эквивалентно потерям в стали магнитопровода, т.е. мощность, выделяющаяся в этом сопротивлении . Так как основной магнитный поток в магнитопроводе много больше потока рассеяния, то , поэтому полное сопротивление .

Полное сопротивление х.х. . По данным опыта х.х. полное, активное и реактивное сопротивления будут: , где . В этих выражениях - соответственно мощность, напряжение и ток, измеренные при опыте х.х.

Для трехфазного трансформатора векторная диаграмма и эквивалентная схема изображаются для одной фазы и имеют такой же вид, как векторная диаграмма и эквивалентная схема однофазного трансформатора.

 

8 Лекция № 8 . Режим короткого замыкания

Цель лекции:

- ознакомить студентов;

- с режимом короткого замыкания;

- построением  векторной  диаграммы.

Содержание  лекции:

 - режим короткого замыкания;

- векторные диаграммы;

- схемы замещени.

 Короткое замыкания в электрических установках возникают обычно вследствие каких-либо неисправностей в сетях (при механическом повреждении изоляции, при ее электрическом пробое в результате перенапряжений и др.) или при ошибочных действиях эксплуатационного персонала. Для трансформатора к.з. представляет собой серьезную опасность, так как при этом возникают очень большие токи. При к.з. зажимов вторичной обмотки сопротивление нагрузки , и, следовательно, напряжение на зажимах вторичной обмотки .

                

 

Рисунок 8.1 - Эквивалентная схема  (а) и векторная диаграмма (б) трансформатора при к.з.

 

Таким образом, напряжение , приложенное к первичной обмотке, будет уравновешено падением напряжения в полных сопротивлениях первичной и вторичной обмоток:. Эквивалентная схема для одной фазы трансформатора при  к.з. изображена на рисунке. 8.1, а.

Уравнение равновесия э.д.с. первичной обмотки трансформатора при к.з. вторичной обмотки запишется в следующем виде:  где  - ток к.з. На рисунке 8.1 б, построена векторная диаграмма для одной фазы трансформатора при к.з. Вертикально вверх направлен вектор тока к.з. , параллельно ему - вектор напряжения в активном сопротивлении к.з. . На  повернут относительно вектора тока в сторону опережения вектор падения напряжения на индуктивном сопротивлении к.з. трансформатора . Геометрическая сумма векторов  и  дает вектор приложенного к первичной обмотке напряжения  который оказался повернутым относительно вектора тока  в сторону опережения на угол к.з. . Этот угол зависит от соотношения сопротивлений  н . Чем больше индуктивное сопротивление  и меньше активное , тем большим будет угол . Таким образом, сила тока к.з. трансформатора .

Так как падение напряжения в полном сопротивлении обмоток трансформатора при номинальном токе  составляет несколько процентов от номинального напряжения, т.е. , то ток  окажется больше номинального тока во столько раз, во сколько номинальное напряжение больше падения напряжения в полном сопротивлении обмоток при номинальном токе

 

                                (8.1)

 

Отношение  называют кратностью тока короткого замыкания. Потери в проводах обмоток трансформатора пропорциональны току во второй степени , так что в случае, когда ток к.з. окажется, например, в 20 раз больше номинального тока, потери в проводах обмоток будут в 400 раз больше (если не учитывать увеличения сопротивления обмоток от нагрева). Выделение большой мощности в проводах обмоток вызывает резкое повышение их температуры, вследствие которого возможно нарушение целости изоляции и выход трансформатора из строя. В трансформаторе имеется очень много параллельных друг другу витков, каждый из которых можно рассматривать как отдельный провод. В витках какой-либо обмотки (первичной или вторичной) протекают токи одинакового направления, так что все витки одной обмотки взаимно притягиваются. Намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток имеют встречное направление, поэтому обмотки стремятся оттолкнуться одна от другой. Механические силы, действующие на обмотки, зависят от конструкции обмоток, размещения витков и токов, протекающих в обмотках. В концентрических симметричных обмотках силы, действующие на обмотки, направлены перпендикулярно оси катушек, в дисковых чередующихся обмотках силы направлены параллельно оси катушек.  Так как силы, действующие на провода с током, зависят от произведения токов в проводах, то и силы  действующие на обмотки трансформаторов при к.з. будут во много раз больше сил, которые возникают при номинальной нагрузке. Под действием очень больших механических сил обмотки трансформатора деформируются настолько, что может быть нарушена изоляция и резко уменьшена их электрическая прочность. Поэтому конструкция обмоток должна быть рассчитана на такую механическую прочность, которая противостояла бы силам, возникающим в первый момент от мгновенных токов , превышающих устано­вившиеся токи  примерно в два раза .

 

Рисунок 8.2 - Направление сил, действующих на концентрические симметричные (а) и дисковые (б) обмотки трансформатора

 

Опыт к.з. производится при значительно пониженном напряжении и является вторым предельным режимом работы трансформатора, который наряду с опытом х.х. позволяет определить параметры трансформатора при любой нагрузке. При опыте к.з. вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной подводят такое пониженное , при котором в обмотках трансформатора протекают номинальные токи. Это напряжение называют напряжением короткого замыкания, измеряется оно в процентах от номинального: .

При опыте к.з. по обмоткам трансформатора  протекают номинальные токи и приложенное к первичной обмотке напряжение

 

                            (8.2)      

где  - номинальный ток первичной обмотки;

 - соответственно полное, активное и реактивное сопротивления к.з.

 - соответственно активная и реактивная составляющие напряжения к.з. .

На основании (8.2) может быть построена векторная диаграмма, которая примет вид треугольника напряжений (см. рисунок 8.2).

Рисунок 8.3 - Схема опыта к.з. трансформатора

 

Такую векторную диаграмму называют треугольником короткого замыкания, а угол  - углом короткого замыкания. Этот угол  зависит от соотношения активного и реактивного сопротивлений к.з.

Опыт к.з. позволяет определить напряжение , потери в обмотках трансформатора  и сопротивления к.з. трансформатора .

Напряжение  определится показанием вольтметра при номинальном токе трансформатора, потери в обмотках  (потери в меди) - показанием ваттметра. При опыте к.з. полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал магнитный поток в сердечнике. Поэтому мощность, потребляемая трансформатором при опыте к.з. расходуется на нагревание проводов обмоток

 где  - номинальный ток первичной обмотки. Сопротивления к.з. активное   полное , индуктивное .

Если опыт к.з. производят при «холодном» (неработающем) трансформаторе, то параметры к.з. надо привести к рабочей температуре 750 С, при изменении которой меняются активное сопротивление и потери в обмотках. Таким образом, приведенные к температуре 750С активное сопротивление  в обмотках  полное сопротивление .

При температуре 750С напряжение которого замыкания , а его активная и реактивная составляющие

      .                    (8.3)

 

 

 

9 Лекция №9. Электромеханические свойства машин постоянного и переменного тока. Режимы преобразования энергии

Цель лекции:

- ознакомить студентов с  элементами  конструкции трансформаторов;

- с режимом  холостого хода.

Содержание лекции:

- общие сведения о трансформаторах;                      

- назначение трансформаторов;

- элементы конструкции трансформаторов;

- режим холостого хода..     

Электрические машины по роду питания делятся на машины переменного и постоянного тока. Машины постоянного тока подключаются к сети постоянного тока. В автономных системах машина постоянного тока является источником постоянного  тока в генера­торном режиме, а в режиме двигателя потребляет энергию от источника по­стоянного тока.

Из модели обобщенной электричес­кой машины машину постоянного тока можно получить, если якорь с двухфазной обмоткой подключить через преобразователь частоты, а обмотку возбуждения - непосредственно к сети постоянного тока. Как и во всех электрических машинах, в машинах постоянного тока поле якоря и поле статора поле возбуждения) неподвижны относительно друг друга.

В машинах постоянного тока преобразование постоянного тока в многофазный переменный ток осуществляется механическим преобразователем  частоты - коллектором. Собственно к машинам постоянного тока и относятся коллекторные машины постоянного тока. Машины, в которых преобразование частоты осуществляется полупроводниковыми преобразователями, называют вентильными   машинами или машинами с полупроводниковыми коммутаторами; они имеют еще ряд на­званий.

Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока начнем рассматривать со схемы машины с то­роидальной граммовской обмоткой (см. рисунок  9.1). В этой машине каждый ви­ток обмотки якоря присоединен к кол­лекторной пластине. Коллекторные пластины осуществляют последова­тельное соединение витков обмотки якоря.

В машине постоянного тока число секций обмотки якоря равно числу коллекторных пластин.

 

Рисунок 9.1 -  Машина постоянного тока с торои­дальной обмоткой якоря

 

Секция состоит из одного или нескольких  витков, соединенных последовательно.

Коллекторные пластины изолиро­ваны друг от друга и образуют ци­линдр, по которому при вращении ма­шины скользят щетки. К неподвиж­ным щеткам подводится постоянное напряжение. Щетки и цилиндр из кол­лекторных пластин образуют коллекторно-щеточный узел. Секции обмотки выводятся на коллекторные пластины для обеспечения надежной работы ма­шины. Принципиально щетки могут скользить непосредственно по провод­никам обмотки. Без цилиндра, состоя­щего из коллекторных пластин, изо­лированных друг от друга, и были вы­полнены первые машины в конце прошлого века. Обычно, когда говорят о коллекторе, имеют в виду также и узлы, обеспечивающие необходимые для удовлетворительной коммутации механические и электрические свой­ства.

Ток в обмотке якоря машины де­лится на две параллельные ветви, чис­ло параллельных ветвей обмотки а равно числу пар полюсов р. Число па­раллельных ветвей обмотки 2а=2р.

При вращении якоря машины сек­ции (витки) обмотки переходят из од­ной параллельной ветви в другую. При этом в них изменяется направле­ние тока. Процесс перехода секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. При комму­тации изменяется ток в коммутируе­мых секциях, а ток в параллельных ветвях и поле якоря, создаваемое то­ками якоря, практически не изменяют­ся. Амплитуда пульсаций тока в па­раллельных ветвях зависит от числа секций обмотки якоря, включенных по­следовательно и составляющих парал­лельные ветви обмотки якоря, и числа секций, находящихся в коммутации.

Эквивалентной схемой с полупро­водниковым коммутатором, заменяю­щей принципиальную схему машины постоянного тока (см. рисунок 9.1), является схема машины, показанная на рисунке 9.2. В этой схеме секции обмотки якоря присоединены к преобразователю частоты ПЧ, преобразующему постоян­ный ток в многофазный переменный.

Обращаясь к рисунку 9.2, можно счи­тать, что число фаз т в машине по­стоянного тока равно числу секций обмотки якоря. Как видно из приведен­ной на рисунке 9.2 обмотки машины по­стоянного тока, фаза — это угол между напряжениями в многофазной систе­ме напряжений или угол между со­седними секциями. Максимальное чис­ло, векторов напряжений в обмотке якоря машины постоянного тока опре­деляется числом секций обмотки или числом коллекторных пластин (см. рисунок 9.1).

 

 

 

Рисунок 9.2 -  Машины   постоянного тока с полу­проводниковым коммутатором

 

 

 

Рисунок 9.3 - Изменение тока и напряжения в сек­ции обмотки якоря

 

Как и в машинах переменного тока, частота тока в секциях обмотки якоря определяется числом пар полюсов и частотой вращения f=pn/60.

Если в многофазной машине пере­менного тока ток в фазе, как правило, изменяется по синусоидальному зако­ну, то в машине постоянного тока из­менение тока и напряжения в секции (фазе) близко к прямоугольному (см. рисунок 9.3). Время коммутации Тк со­ставляет милли - и микросекунды, а один оборот якорь совершает за доли секунды, поэтому частота напряжения в секциях десятки или сотни герц. Трапецеидальную кривую напряжения в фазе машины постоянного тока мож­но разложить в гармонический ряд и выделить 1-ю гармонику.

Переменные токи в многофазной обмотке якоря создают вращающееся поле, которое неподвижно относительно обмотки возбуждения, так как час­тота вращения поля якоря относитель­но якоря равна частоте вращения яко­ря (ωс = ωр). Многофазная обмотка якоря машины постоянного тока мо­жет быть приведена к  двухфазной.

Как правило, щетки в машинах по­стоянного тока устанавливаются на геометрической нейтрали - линии, перпендикулярной оси полюсов (см. рисунок 9.1), поэтому поле якоря пер­пендикулярно силовым линиям поля возбуждения. В первом приближении можно считать, что в машинах посто­янного тока при нагрузке имеет место продольно-поперечное намагничивание и поле якоря не влияет на поле воз­буждения, т. е. поле в машине посто­янного тока при нагрузке искажается, а поток остается таким же, как и при холостом ходе, когда ток в якоре ра­вен нулю. Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока ближе всего к процессам преобразова­ния энергии в синхронных машинах при чисто активной нагрузке.

Как и все электрические машины, машины постоянного тока обратимы, т. е. они могут работать в генератор­ном и двигательном режимах.

Двигатели постоянного тока обес­печивают большие пределы регулиро­вания частоты вращения при высоких энергетических показателях и механи­ческих характеристиках, удовлетворя­ющих требованиям большинства механизмов. Двигатели постоянного тока используются на транспорте (электро­возы, тепловозы, трамвай, троллейбус, мотор - колеса), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках и др. Двигатели постоянного тока ши­роко применяются также в авиации, автомобилях, тракторах и космической технике. Они могут получать питание от аккумуляторных батарей и солнеч­ных элементов. Многие автономные энергетические системы - системы по­стоянного тока, и двигатели постоян­ного тока в них находят все большее применение.

Генераторы постоянного тока при­меняются для питания электролизных и гальванических установок и питания обмоток возбуждения синхронных ма­шин. Во многих автономных установ­ках генераторы постоянного тока вырабатывают большую часть мощности, необходимую для обеспечения электро - движения судов, тепловозов и других передвижных установок. Широко распространены генераторы со специ­альными характеристиками, необходи­мыми для сварки, освещения поездов, привода экскаваторов, получения мощных импульсов и других примене­ний. Постоянное напряжение можно получить, используя синхронный гене­ратор, работающий на выпрямители. Такие системы не имеют коллектора и широко применяются в автономных энергосистемах.

Несмотря на усилия больших кол­лективов, направленные на создание преобразователей частоты на полупро­водниковых приборах, электроприводы с такими преобразователями и асин­хронными или синхронными двигате­лями в 1,5-2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями посто­янного тока. В истории электромаши­ностроения было несколько периодов, когда считали, что машины постоян­ного тока должны будут уступить свое место машинам переменного тока. Од­нако, этого не произошло - выпуск ма­шин постоянного тока неизменно уве­личивается и они находят все новые области применения. Машины посто­янного тока в будущем будут широко применяться, и изучение теории и практики их применения имеет важное значение.

 

10 Лекция №10. Электродвижущие силы в обмотках машин переменного тока

Цель лекции:

- ознакомить студентов с электродвижущими силами в обмотках  

 машин переменного тока. 

Содержание  лекции:

- электродвижущая сила проводника;

- электродвижущая сила витка и катушки;

- электродвижущая сила фазы обмотки.

Необходимо, чтобы индуктируемые в обмотках ЭДС были синусоидальными, т.е. не содержали высшие гармоники, вызывающие дополнительный нагрев и тормозные моменты. Так как ЭДС индуктируются вращающимися магнитными потоками, то для этого необходимо, чтобы распределение магнитной индукции вдоль воздушного зазора было синусоидальным. Для этого применяются различные конструктивные меры. Например, для улучшения кривой поля возбуждения явнополюсных синхронных генераторов их полюсные наконечники выполняют с радиусом, несколько меньшим, чем радиус воздушного зазора т.е. делают зазор () у краев полюсного наконечника больше зазора посередине (δ). Хорошие результаты дает полюсный наконечник с соотношением

В неявнополюсных машинах синусоидальный характер распределения магнитной индукции создается подбором соответствующего отношения между частью окружности ротора без пазов и частью его окружности с пазами, в которые укладывается обмотка возбуждения. Обычно это отношение равно 2/3.      Однако  и  в  этих  случаях  кривая  магнитной индукции  лишь  приближается  к  синусоиде,  поэтому  ЭДС  обмотки  статора  остается несинусоидальной и наряду с основной гармоникой    содержит высшие гармоники. В силу симметрии кривой ЭДС обмотки статора относительно оси абсцисс, в кривой ЭДС не будет четных гармоник.

Определим ЭДС, индуктируемую в обмотке статора основной пространственной гармоникой вращающегося поля (к=1).

Вращающееся со скоростью υ=2τf синусоидальное магнитное поле  индуктирует в каждом проводнике витка ЭДС действующее значение:

 

 ,

                                                                                                                            

где Bδ=Bml - амплитуда индукции основной гармоники поля в зазоре;

       lδ - расчетная активная длина машины;

       τ- полюсное деление.

 

 

Рисунок 10.1 - Распределение магнитной индукции поля возбуждения    явнополюсной синхронной машины вдоль поверхности статора.

 

В ряде случаев для улучшения формы ЭДС обмотки статора осуществляется скос пазов относительно бегущего магнитного поля. При этом фаза ЭДС, индуктируемая в отдельных участках проводника синусоидально распределенным магнитным полем, беспрерывно изменяется вдоль проводника  и элементарные ЭДС ∆E, индуктируемые на обоих концах проводника, сдвинуты по фазе на угол

,

где вс - величина скоса.

В этом случае, для определения ЭДС проводника необходимо сложить векторы ЭДС отдельных участков проводника ∆Е. В пределе, если рассматривать бесконечно малые участки, ∆Е→0 и геометрическая сумма векторов ∆Е изобразится дугой и будет равна хорде окружности, опирающейся на центральный угол γс.

Отношение длины хорды к ее дуге

определяет степень уменьшения ЭДС Eпр при наличии скоса и называется коэффициентом пазов обмотки.

 

 

Рисунок 10.2 - Определение ЭДС проводника при скосе пазов

 

 

Подставив значение γс, получим

так как скос невелик, то kс 1. Например, при 

,

 т.е. ЭДС Епр уменьшается на 1,1 %. Окончательно ЭДС проводника

 

б) Электродвижущая сила витка и катушки

Шаг витка и катушки обмоток переменного тока у, чаще всего несколько укорачивают по сравнению с полюсным делением τ, так что относительный шаг β=у / обычно меньше единицы.

ЭДС проводников витка имеют одинаковую величину, но сдвинуты по фазе на угол βπ, так как активные проводники витка сдвинуты в магнитном поле на такой же угол.

ЭДС витка равна Ев, = ЕпрEпр и согласно рисунку 10.3

 

,

 

где ky = sinπβ/2- коэффициент укорочения шага обмотки. eв максимальна при полном шаге (y=π;β=1), когда ky= 1.

                           

 

Рисунок 10. 3 - ЭДС витка

 

Группа последовательно соединенных витков, вместе с общей пазовой изоляцией стенок паза, называется катушкой.

Если катушка содержит ω к витков, то ЭДС катушки

 

,

 

Поток одного полюса при синусоидальном распределении индукции

 

 

и после подстановки значения Bбlбτ  получим окончательно

 

Eк=πfωк ку кс ф

 

(в) Электродвижущая сила катушечной группы

Для получения достаточного количества проводников и витков в фазе и  сохранения в то же время приемлемых размеров пазов, количество пазов машине делают больше единицы. При этом ряд (q) катушек, имеющих по одинаковому количеству витков ωк и лежащих в соседних пазах, соединяют последовательно. Такую группу катушек, принадлежащих одной фазе, называют катушечной группой.

 

 

 

Рисунок 10.4 - Катушечная группа в магнитном поле (q =4)

ЭДС соседних катушек группы сдвинуты на угол

 

.

Вся группа из q катушек занимает по окружности якоря угол (электрический)

 

 а= =,

называемый углом фазной зоны. ЭДС катушечной группы                                                                           Eq равна геометрической  сумме   ЭДС   отдельных  катушек  группы                                              и  меньше арифметической суммы ЭДС этих катушек qEk . Отношение                                                          Eq / qEk=kр называется коэффициентом распределения обмотки.

Таким образом,  Eq= kрqEк.

Из рисунка 10.5 следует, что

 

Eq =2Rsinα/2 и Ek =2Rsinγ /2=2Rsinα/2q.

 

Подставив эти значения, получаем

Кр=.

 

 

Рисунок 10.5 - Определение ЭДС катушечной группы

 

При q=1,имеем кр = 1, а при q >1, kp< 1.

 

получим:

Еqккобксф=4,44fωкобксф,

где кобукр   - коэффициент обмотки.

г) Электродвижущая сила фазы обмотки

В  многополюсной  машине  каждая  фаза  обмотки  содержит ряд катушечных групп, лежащих под разными полюсами. Если группы содержат одинаковое число катушек q, то они занимают одинаковые углы α и сдвинут относительно друг друга на целое число полюсных делений. В этом случае ЭДС катушечных групп равны по величине и сдвинуты по фазе на 360° (при сдвиге группы на четное число τ) или на 180° (при сдвиге на нечетное число τ). Такие катушечные группы можно соединить последовательно таким образом, что ЭДС групп будут складываться арифметически. Возможно также их параллельное соединение так, что ЭДС всех параллельных ветвей будут одинаковы по величине и совпадут по фазе.

Если в каждой ветви соединено последовательно п катушечных групп, то действующее значение ЭДС каждой ветви и фазы обмотки в целом будет:  Е =πωкобксф=4,44fωҝобксф,

где ω= nq ω - число последовательно соединенных витков каждой параллельной ветви и называется числом витков фазы.

Если m - фазная обмотка имеет Z naзов и α параллельных ветвей, то:  

                                                        ω=

где Sn - число эффективных проводников в пазу.

 

 

11 Лекция №11. Электромеханические свойства машин переменного тока. Основные типы машин переменного тока и их устройство

Цель лекции:

- ознакомить студентов с классификацией  машин переменного тока,

областью применения и устройством, принципом действия машин переменного тока.

Содержание лекции:

- классификация машин переменного тока;

- области применения машин переменного тока;

- устройство и принцип действия синхронной машины;

- устройство и принцип действия асинхронной машины.

Действие всех электрических машин переменного тока основано на принципе вращающегося магнитного поля и поэтому их теория является общей. На практике применяются преимущественно трехфазные (т=3) машины переменного тока. Машины с другим числом фаз (т=2;6) используются для специальных целей.

Трехфазные машины переменного тока подразделяются на два основных типа: 1) синхронные и 2) асинхронные. В свою очередь асинхронные машины подразделяются на: а) бесколлекторные и б) коллекторные.

Синхронной называется бесколлекторная машина переменного тока, в которой частота вращения ротора n2 находится в строго постоянном отношении к частоте сети

п2=    [об/с],

где р - число пар полюсов машины.

Другими словами, в синхронной машине ротор (подвижная часть) вращается с такой скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле статора.

Применение синхронных машин весьма широко и многообразно. Синхронная машина, как и все электрические машины, обратима и может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

Синхронный генератор является основным типом генератора переменного тока, устанавливаемого на электростанции для производства электроэнергии.

Синхронные двигатели обладают рядом преимуществ, главными из которых являются постоянная частота вращения и возможность регулирования их коэффициента мощности. Поэтому они находят широкое применение в электроприводах большой мощности. Синхронные двигатели малой мощности применяются в системах автоматики.

Синхронные машины применяются в качестве синхронных компенсаторов, дающих возможность улучшать коэффициент мощности энергосистем.

Асинхронной называется такая машина, частота вращения которой зависит не только от частоты сети , но и от нагрузки на валу, т.е. ротор асинхронной машины вращается не синхронно по отношению к вращающемуся магнитному полю статора.

На практике асинхронные машины используются, главным образом, в качестве двигателей. Выгодно отличаясь от других электродвигателей простотой конструкции и надежностью в работе, асинхронный двигатель в настоящее время является основным типом электродвигателя.

 

11.1  Устройство и принцип действия синхронных машин

В конструктивном отношении различают два основных типа синхронных машин: а) неявнополюсные, т.е. машины с неявно выраженными полюсами и б) явнополюсные, т.е. машины с явно выраженными полюсами.

Полюса, возбуждаемые постоянным током, располагаются на вращающейся части машины, называемой ротором, а обмотка переменного тока укладывается в пазах неподвижной части машины, называемой статором.         При заданной частоте сети  наибольшую частоту вращения имеют машины с числами пар полюсов р = 1 и  р=2 (соответственно =3000 об/мин и = 1500 об/мин). В таких машинах большой мощности скорость на окружности ротора настолько велика, что из соображений механической прочности и укрепления обмотки возбуждения ее приходится распределять по поверхности ротора, т.е. выполнять обмотку как не явнополюсную.

Синхронные генераторы приводятся во вращение паровыми и гидравлическими турбинами. В первом случае синхронный генератор называется турбогенератором, а во втором - гидрогенератором.

Паровые турбины принадлежат к числу быстроходных машин и поэтому турбогенераторы имеют неявнополюсное исполнение. Гидрогенераторы имеют явнополюсное исполнение, так как гидравлические турбины принадлежат к тихоходным машинам.

На одном валу с гидрогенератором устанавливаются вспомогательные машины: возбудитель генератора (генератор постоянного тока) и регуляторный генератор.

При аварийном отключении гидрогенератора от сети его частота вращения сильно возрастает, т. к. быстрое прекращения доступа воды в турбину невозможно (из-за гидравлического удара), а подача энергии в сеть прекращается (исчезает тормозной электромагнитный момент). Достигаемая при этом максимальная (угонная) частота вращения может в два и более раз превышать номинальную, поэтому механическая прочность генератора рассчитывается на эту частоту вращения.

Гидрогенераторы обычно изготовляются в вертикальном исполнении для непосредственного соединения с гидравлической турбиной.

Неявнополюсные синхронные машины имеют цилиндрический ротор из массивной стальной поковки, в пазах которого уложена обмотка возбуждения.

Турбогенераторы предназначены для непосредственного соединения с работающими на тепловых станциях паровыми турбинами и поэтому они имеют горизонтальное исполнение.

Увеличение предельных мощностей связано с увеличением электромагнитных нагрузок (линейной нагрузки и плотности тока обмоток) и интенсификацией способов охлаждения.

Принцип действия синхронного генератора основан на явлении электромагнитной индукции и заключается в преобразовании механической энергии, отдаваемой потребителю.

Намагничивающая сила, создаваемая током обмотки возбуждения, возбуждает постоянный магнитный поток. Этот поток, вращаясь вместе с ротором генератора, пересекает обмотки статора и наводит в них трехфазную систему электродвижущих сил (ЭДС) При замыкании обмотки статора через нагрузку под действием ЭДС начинает протекать ток.

 

11.2 Устройство и принцип действия асинхронной машины

Асинхронная машина состоит из двух основных частей - неподвижной части - статора и подвижной части - ротора. Между статором и ротором имеется воздушный зазор. Увеличение воздушного зазора резко уменьшает коэффициент мощности (cosφ) и вращающий момент двигателя.

Сердечник статора собирают из листов электротехнической стали в виде колец, на внутренней окружности которых штампуют пазы для укладки обмотки статора. Обмотка выполняется из изолированных медных проводов. Стальные листы изолируют друг от друга лаком для уменьшения потерь от вихревых токов.

Сердечник статора с обмоткой помещают в станину, посредством которой машина крепится к фундаменту. Ротор собирают также из листов электротехнической стали и крепят на валу машины.

В зависимости от типа ротора асинхронные двигатели делятся на: а) двигатели с короткозамкнутым ротором; б) двигатели с контактными кольцами.

Работа асинхронного двигателя основана на принципе электромагнитной индукции.

При подаче в обмотку статора трехфазного переменного тока возникает вращающееся магнитное поле, которое перемещается в воздушном зазоре между статором и ротором с частотой вращения п1 и при своем вращении пересекает проводники обмотки ротора, индуктируя в этой обмотке ЭДС e2.

Если обмотка ротора замкнута, то под действием ЭДС в ней возникает ток, совпадающий по направлению с ЭДС.

В результате взаимодействия тока в проводнике обмотки ротора с вращающимся магнитным полем статора возникает сила , которая перемещает проводник в направлении, определяемом правилом «левой руки». Если умножим силу F на расстояние от оси ротора до проводника, то получим вращающий момент М=FR, развиваемый током этого проводника. Так как на роторе помещено большое количество проводников, то произведения сил, действующих на каждый проводник, на расстояние этих проводников до оси ротора определяет вращающий момент двигателя. Под действием вращающего момента ротор двигателя вращается в направлении вращения магнитного поля.

 

12 Лекция №12.  Пуск в ход асинхронных двигателей

Цель лекции:

- ознакомить студенто;

- со способами включения асинхронного двигателя в сеть;

- со схемами включения асинхронного двигателя в сеть.

Содержание  лекции:

- пуск в ход асинхронных двигателей.

Пусковые характеристики асинхронных двигателей тесно связаны с их конструкцией. Двигатели с фазной обмоткой ротора имеют, по сравнению с двигателями с короткозамкнутой обмоткой ротора, лучшие пусковые характеристики, так как включением в цепь ротора пускового реостата можно уменьшить пусковой ток Iп и одновременно увеличить пусковой момент Мп. Но двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора дешевле, надежнее в работе и имеют лучшие рабочие характеристики. Многочисленные попытки сочетать в одной конструктивной форме преимущества обоих типов двигателей, избежав их недостатков или сведя их до минимума, показали, что эту задачу пока нельзя считать решенной. Наилучших результатов добились, применяя двигатели с короткозамкнутой обмоткой ротора специального исполнения. В связи с ростом пропускной способности распределительных сетей такие двигатели в настоящее время выполняются на мощности порядка тысяч киловатт.

Главными способами пуска асинхронных двигателей являются: а) пуск в ход с помощью реостата, вводимого в цепь ротора двигателя с фазной обмоткой ротора; б) включение в сеть двигателей с короткозамкнутой обмоткой ротора при Un = UH (прямое включение); в) то же при Un < UH.

а) Пуск двигателей с фазной обмоткой ротора

Сопротивление гд пускового реостата (см. рисунок 12.1) выбирается из соображений ограничения пускового тока. Обычно величина пускового тока получается допустимой при таком сопротивлении гд, когда начальное значение пускового момента Мп равно максимальному моменту Мт. Тогда   Sм = 1 и по формуле:

 

.

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              

Плавность пуска двигателя достигается устройством в реостате нескольких ступеней сопротивления. На рисунке 12.2 а приведены механические характеристики двигателя для пяти значений сопротивления, а rД на рисунке 12.2 б - соответствующие зависимости тока от скорости вращения ротора.

Включение в сеть двигателя с разомкнутой обмоткой ротора может вызвать значительные всплески тока, как это имеет место при включении ненагруженного трансформатора. Поэтому начала первых ступеней сопротивления трех фаз реостата соединяются в общую точку. Наличие замкнутой вторичной цепи предохраняет также от перенапряжений в обмотках статора и ротора при выключении двигателя.

                                                                                                                                                                          

Рисунок 12.1- Включение     Рисунок 12.2- Пуск двигателя      Рисунок 12.3 – Включение               

симметричного пуско –          с реостатом в цепи ротора: а-     несимметричного

вого реостата                            изменение момента; б-                 реостата

                                          изменение тока                              

                                                                                                                                                                                              

Для уменьшения числа контактов и удешевления пускового реостата иногда добавочные сопротивления вводят только в две фазы обмотки poтоpа (см. рисунок 12.3), что вызывает асимметрию тока ротора. Асимметричную систему токов в общем случае можно разложить на три симметричные системы с  различным порядком следования фаз. Но система нулевой последовательности токов в данном случае отсутствует, так как средние точки реостата и обмотки  ротора не соединяются. Система прямого следования фаз и система обратного следования фаз вращаются относительно ротора с одинаковой скоростью

 

,

 

но в противоположные стороны. Ротор вращается со скоростью                        n = n1(1-s). Следовательно, скорость вращения прямого поля относительно статора

n+n2=n1(1-s)+n1s=n1;

 

скорость вращения обратного поля

 

n-n2=n1(1-s)- n1s=n1(1-2s)  

 

Таким образом, прямое поле вращается синхронно с полем статора, их взаимодействие создает на валу машины вращающий момент    (линия 1   на   см. рисунке 12.4).

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              Обратное поле ротора вращается в пространстве с переменной скоростью, причем при изменении скольжения от s = 1 до s = 0,5 обратное поле вращается против вращения ротора; при S = 0,5 скорость обратного поля n1 (l -2s) = 0, а при изменении скольжения от s = 0,5 до нуля направление вращения обратного поля совпадает с направлением вращения ротора.

                                                 

 

Рисунок 12.4 - Включение  несимметрии токов ротора  в цепь ротора  индуктивного сопротивления

 

                                     а)

                                        

 

Рисунок 12.5 – Механическая характеристика при

а—последовательно с rд и

б — параллельно с rд

 

Для обратно вращающегося поля ротора можно считать обмотку статора замкнутой накоротко, так как сопротивление сети очень мало. Поэтому взаимодействие обратного поля ротора с короткозамкнутой обмоткой статора при скорости вращения ротора  n<n1/2 приводит к увеличению вращающего момента двигателя, а при n<n1/2 момент, создаваемый обратным полем, является тормозящим, как показано на рисунке 12.5 (линия 2). Результирующий момент представлен линией 3. Резкое снижение вращающего момента наблюдается при n05n1 и, если нагрузочный момент Mмин то двигатель не достигнет нормальной для него скорости вращения, а будет устойчиво работать в точке а механической характеристики.

Такое же явление наблюдается вследствие асимметрии токов обмотки ротора при нарушении контактов в цепи ротора.

Для автоматизации процесса пуска в некоторых случаях в цепь ротора включают активное сопротивление гд и последовательно или параллельно с ним индуктивное сопротивление хд.

По схеме (см. рисунок 12.5, a) в первый момент пуска, когда s = 1 и f2 = f, индуктивное сопротивление велико и в основном ограничивает пусковой ток. По мере увеличения скорости вращения ротора частота f2 = fs уменьшается, соответственно чему уменьшаются э. д. с. ротора Е2s и индуктивное сопротивление Xds= Xd S , В результате ток в цепи ротора спадает медленнее, чем при наличии только сопротивления гд, т. е. пусковая операция идет более плавно.

б) Прямое включение асинхронного двигателя в сеть

При этом способе включения двигателя с короткозамкнутой обмоткой ротора явления, имеющие место в первый момент включения, те же, что и в короткозамкнутом трансформаторе. На рисунке 12.6, а показана схема включения двигателя 1 и индуктивного сопротивления 2. При пуске сначала замыкают рубильник 3, а затем при вращении ротора рубильник 4. Величина индуктивного сопротивления подбирается таким образом, чтобы кратность пускового тока In / Iн =2 2,5; для этого нужно понизить напряжение на двигателе в 2-3 раза. Включение регулируемого индуктивного сопротивления позволяет осуществить плавный пуск двигателя. Начальное значение пускового момента уменьшается пропорционально (Un / UH )2, т. е. в 4-9 раз.

Понижение напряжения автотрансформатором

Вместо индуктивного сопротивления можно применить автотрансформатор 5 (см. рисунок 12.6 б). Применение автотрансформатора позволяет получить большую величину пускового момента, чем в случае индуктивного сопротивления при одинаковых токах в линии. Если сохранить прежнее значение In / Iн =2 2,5, то требуется понижение напряжения автотрансформатором только в 1,5-2 раза, а это приводит к уменьшению пускового момента в 2-4 раза.

                     

Рисунок 12.6 - Пуск двигателя а-индуктивным сопротивлением; б - переключением  с треугольника на звезду

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                          

Недостатком обоих способов пуска является значительная стоимость пусковой аппаратуры.

 

 

Рисунок 12.7 - Рабочие характеристики асинхронного двигателя при соединении обмотки статора треугольником и звездой

 

Пусковой ток в линии при соединении статора звездой в три раза меньше; чем при соединении треугольником. Это весьма ценное преимущество рассматриваемого способа пуска. Но так как при соединении обмоток статора звездой фазное напряжение в - раз меньше, чем при соединении треугольником, то пусковой момент Мп тоже уменьшается в три раза

 

Способ переключения треугольник - звезда применяется не только для пуска двигателей в ход, но также для улучшения cosφ и кпд двигателей при малых нагрузках (не превышающих 0,4 номинальной). Переключив обмотки статора с треугольника на звезду, уменьшают фазное напряжение в  раза при том же линейном напряжении. Следовательно, э. д. с. Ег и поток Фбм уменьшаются, так как e1 U1 и П1 и Фбм = e1 .Это приводит к уменьшению намагничивающего тока I0 несколько больше, чем в  раз, так как магнитная цепь двигателя обычно насыщена, а также к уменьшению потерь в стали приблизительно в 3 раза, так как они зависят от магнитного потока во второй степени.

                    

13 Лекция №13 Регулирование скорости вращения асинхронных   двигателей

Цель лекции:

            - ознакомить студентов изменением напряжения;

           - с регулированием  скорости асинхронного двигателя

           - с    регулированием  скорости вращения изменением скольжения;

 - с регулированием  скорости вращения изменением числа пар полюсов       двигателя.

Содержание  лекции:

          - регулирование скорости асинхронного двигателя

            изменением напряжения;

          - регулирование скорости вращения изменением скольжения;

- регулирование скорости вращения изменением числа пар полюсов                                        двигателя.

Асинхронный двигатель, как правило, используется в электроприводе с постоянной скоростью вращения, однако в ряде случаев требуется эту скорость регулировать.

Из формулы               s=    следует, что скорость вращения ротора

асинхронного двигателя

                                             

Таким образом, чтобы изменить скорость вращения ротора, необходимо изменить либо скольжение s, либо скорость вращения поля статора n1. Последнее достигается изменением числа пар полюсов обмотки статора или же частоты тока в обмотке статора.

Перечисленные способы имеют существенные недостатки, и поэтому было предложено большое число соединений (каскадов) асинхронного двигателя с другими электрическими машинами для получения необходимых характеристик скорости.

а) Изменение скольжения

Проще всего регулирование скольжения осуществляется в двигателе с фазной обмоткой ротора введением добавочного активного сопротивления (см. рисунок 13.1). Процесс регулирования скорости вращения ротора этим способом рассматривается при постоянстве подведенного, к двигателю напряжения U1 и частоты  f. Момент М2 считается также постоянным.

При отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора скольжение двигателя в установившемся режиме определяется точкой А пересечения линии нагрузочного момента ( Мт) и характеристики скорости 1 (см. рисунок 13.1), соответствующей скорости вращения n'. Если ввести сопротивление в цепь ротора, то U1 останется постоянным согласно условию; следовательно, останутся постоянными э.д.с. Е1 и поток Фбт. Так как ротор обладает инерцией, то в ближайший момент времени после   введения реостата скорость вращения ротора останется прежней и соответственно этому сохраняется величина э. д. с. ротора E2s=E2s. Ток ротора   

 

уменьшается вследствие увеличения сопротивления цепи ротора до значения r2+rd, а это приводит к уменьшению вращающего момента ротора.

 

 

Рисунок 13.1 - Скорость вращения при различных сопротивлениях цепи

 

Так как нагрузочный момент Мт остается постоянным, то он будет превышать вращающий момент, на валу двигателя появится отрицательный динамический момент Mj = М2 + Мт и скорость вращения ротора начнет уменьшаться. Соответственно возрастающему скольжению s будет также увеличиваться э. д. с. Е2s и ток 12. Процесс уменьшения скорости вращения и увеличения тока I2 будет происходить до тех пор, пока активная составляющая этого тока I2 cosφ2 не достигнет прежнего значения. Вращающий момент М2 станет равным нагрузочному моменту (- Мт) и ротор будет вращаться с установившейся скоростью п", меньшей, чем до введения реостата (точка В характеристики).

Так как ток ротора и магнитный поток при уменьшении скорости вращения не претерпевают изменений, то ток статора I1 и cosφ также остаются без изменений, поэтому потребляемая двигателем мощность не изменяется. Полезная мощность уменьшается вследствие уменьшения скорости вращения и при постоянном моменте М2. Следовательно, кпд двигателя

 

уменьшается пропорционально уменьшению скорости вращения.

С уменьшением скорости вращения происходит ухудшение вентиляции двигателя, поэтому одновременно необходимо также понижать нагрузочный момент Мm.

Наклон характеристик скорости с увеличением сопротивления цепи ротора увеличивается; это понижает устойчивость работы двигателя, т. е. малые изменения нагрузочного момента вызывают большие колебания скорости вращения.

В случае резко нарастающих нагрузок «смягчение», т. е. увеличение наклона характеристики скорости желательно для использования кинетической энергии Jω 2 /2, запасенной во вращающихся частяx  привода с общим моментом инерции J. При повышении нагрузки скорость вращения двигателя понижается, и динамический момент  J     способствует преодолению нагрузочного момента Мт, уменьшая таким образом вращающий момент М2 двигателя. Это позволяет выбрать двигатель меньшей мощности и понизить наибольший ток статора.

 

 

 

 

                              

                                                                                                                                                                

Рисунок 13.1 - Регулирование скорости асинхронного двигателя

изменением напряжения

а - при малом активном сопротивлении ротора;

б – при большом сопротивлении

 

Изменение скольжения может быть получено также за счет изменения подведенного к двигателю напряжения U1; однако при малом сопротивлении цепи ротора скольжение изменяется в узких пределах вследствие большого угла наклона механической характеристики. Механическая характеристика 1 построена для номинального напряжения U1H критическое скольжение SM = 0,2 (в двигателях средней и большой мощности SM значительно меньше). При уменьшении напряжения ординаты механической характеристики уменьшаются пропорционально (U1/UIH)2. Характеристика 2 соответствует уменьшению напряжения на 0,3U1H. При заданном нагрузочном моменте скольжение будет изменяться в пределах между точками а и в, т. е. скорость вращения изменится не более чем на 15%. Но при этом пусковой момент  Mn, становится меньше момента (Мт), вследствие чего резко снижается перегрузочная способность двигателя.

Пределы регулирования скольжения зависят также от характера изменения нагрузочного момента от скорости вращения; эти пределы уменьшаются, если момент Мт возрастает с увеличением скорости вращения

б) Изменение числа пар полюсов

При изменении числа пар полюсов обмотки статора изменяется скорость вращения поля статора, а следовательно, и скорость вращения ротора. Число полюсов может быть только целым, поэтому изменение скорости вращения будет ступенчатым. Особенно большие ступени получаются при малом числе полюсов.

Изменение числа полюсов может быть достигнуто двумя способами: на статоре можно уложить две обмотки, каждая из которых имеет требуемое число полюсов, или же использовать одну обмотку, допускающую переключение на разное число полюсов.

В двигателе с переключением числа полюсов ротор обычно выполняется с короткозамкнутой обмоткой, так как применение фазной обмотки с переключением числа полюсов значительно усложняет изготовление ротора.

Наиболее простая схема переключения числа полюсов обмотки получается при отношении скоростей вращения 1:2.

Двухслойные обмотки предпочтительнее, так как они обеспечивают лучшую форму магнитного поля в зазоре. Шаг обмотки выбирается таким образом, чтобы он был близким к полюсному делению при большем числе полюсов. На рисунке 13.2 представлена схема обмотки, фаза которой состоит из двух катушек АВ и CD. Показанное на рисунке 13.2,а направление тока при соединении конца катушки В с началом катушки С создает четыре полюса. При изменении направления тока в катушке CD получается два полюса (см. рисунок 13.2 б). Изменение направления тока в катушке CD может быть получено и при параллельном соединении катушек (см. рисунок 13.2, в). При этом требуется только три выведенных конца вместо четырех а при внутреннем соединении трехфазной обмотки звездой или треугольником только шесть концов. При изменении числа полюсов может изменяться также индукция в зазоре и приблизительно пропорционально ей - вращающий момент двигателя.

Индукция в зазоре зависит от величины вращающегося магнитного потока и полюсного деления. Магнитный поток определяется приложенным к обмотке   напряжением,   числом   последовательно   соединенных   витков  и обмоточным коэффициентом.

При одинаковом фазном напряжении магнитный поток при параллельном соединении будет в 2,5 раза больше, чем при последовательном (в два раза за счет половинного числа последовательно соединенных витков ив 1,25 раза за счет меньшего обмоточного коэффициента). При переходе от удвоенного числа полюсов к меньшему полюсное деление увеличивается в два раза. Таким образом, индукция в зазоре Bб и, следовательно, вращающий момент при переходе к большей скорости вращения возрастает в 1,25 раза. Соединение фазных обмоток при высшей скорости вращения в этом случае выполняется звездой с двумя параллельными ветвями (YY ), а при низшей - звездой (Y).

 

 

Рисунок 13.2 - Регулирование скорости вращения изменением числа пар полюсов двигателя

 

Эта схема переключения обмоток пригодна для двигателей привода вентиляторов.

Для получения приблизительно одинакового вращающего момента при обеих скоростях вращения, например, у двигателя для привода компрессора; применяется схема соединения обмоток YY/A. В этом случае фазное напряжение при переходе к высшей скорости вращения уменьшается в-, следовательно, магнитный поток увеличивается только в 1,45 раза. Вследствие увеличения полюсного деления в два раза индукция в зазоре и вращающий момент при высшей скорости вращения составляют 0,7 индукции и момента при низшей скорости. Увеличение вращающего момента может быть достигнуто за счет соответствующего выбора шага обмотки и повышения плотности тока при высшей скорости вращения.

При необходимости сохранения одинаковой мощности на обеих ступенях скорости вращения (для привода металлорежущих станков) применяется схема переключения обмотки ∆/YY.

в) Изменение частоты питающей сети

Этот способ применяется в тех случаях, когда требуется регулировать скорость вращения одного или нескольких двигателей одновременно или получить скорость вращения более 3000 об/мин.

В качестве примера можно привести привод гребных винтов на судах, привод двигателей в деревообделочной промышленности со скоростью вращения 12000 об/мин, привод электрошпинделей для шлифовки со скоростью вращения до 150 000 [об/мин.

При питании двигателей от синхронного генератора изменение частоты достигается изменением скорости приводного двигателя. Это возможно только в сравнительно узких пределах. Существуют специальные схемы, которые позволяют регулировать частоту тока без изменения скорости приводного двигателя.

С изменением частоты тока будут изменяться в общем случае все величины, характеризующие работу двигателя: напряжение на зажимах, поток, ток холостого хода, вращающий момент, мощность, перегрузочная способность, скорость вращения. Анализ этого способа регулирования скорости отличается значительной сложностью. Поэтому приводятся только конечные результаты без вывода их.

Пусть поставлено условие, чтобы двигатель работал при переменной частоте, но с практически постоянными значениями кпд, cos<p, перегрузочной способности Мт. и постоянным абсолютным скольжением s. Если двигатель не насыщен, то поставленные условия соблюдаются при следующем соотношении между напряжением, частотой и вращающим моментом:

,

 

где U 1 и М 1, — напряжение и вращающий момент при частоте f1 ;  U 11и М11 - те же величины при частоте f11 .

Если М111 = const, то   , т. е. напряжение, подводимое к двигателю, должно изменяться пропорционально частоте.

При использовании в качестве источника электроэнергии синхронного генератора изменение частоты и напряжения получается при постоянном возбуждении и изменяющейся скорости вращения.

Если двигатель работает на центробежный вентилятор или нагребной винт, то M2=f2. В этом случае       , т. е. напряжение на зажимах должно изменяться пропорционально частоте во второй степени. Этот режим соответствует работе синхронного генератора с током возбуждения, изменяющимся пропорционально скорости вращения.

Иногда подобное регулирование частоты применяется для пуска крупных асинхронных двигателей.

 

 

 

14 Лекция №14  Синхронные двигатели

Цель лекции:

- ознакомить студентов:

- с назначением  синхронных двигателей;

- с U-образными и рабочими характеристиками синхронного двигателя;    

- с работой синхронной машины в двигательном режиме.

Содержание  лекции:

- назначение синхронных двигателей;

- U-образные и рабочие характеристики синхронного двигателя;

- работа синхронной машины в двигательном режиме.

Синхронная машина может работать как в режиме генератора, так и в ре­жиме двигателя, т.е. потреблять из сети электрическую энергию и преобразо­вывать ее в механическую. Если после подключения синхронной машины к электрической сети приложить к его валу тормозной момент, т.е. момент на­грузки, направленный против вращения ротора, то вектор ЭДС сместится на угол Ґ относительно его положения в режиме холостого хода в сторону а от­ставания. При этом в цепи статора появится результирующая ЭДС  ∆ Е = Е+ Uс, создающая в обмотке статора ток I1, опережающий по фазе ЭДС Е £~ на угол ψ. Ток 11 создает вращающееся синхронно с ротором магнитное поле, ось которого d' - d' смещена относительно продольной оси полюсов ротоpa d-d  на угол Ґ.

Возникшие при этом тангенциальные составляющие сил магнитного взаимодействия F1 = Fm SinҐ создадут на роторе двигателя вращающий электромагнитный момент М, направленный согласно с вращающим магнитным полем статора и приводящий во вращение ротор с синхронной частотой ω1. При этом синхронная машина потребляет из сети электрическую энергию и преобразует ее в механическую энергию вращения. Вращающий электромагнитный момент преодолевает момент холостого хода и создает полезный момент Mс, под действием которого приводится во вращение производственный механизм:

 

Мэм с0 .

 

Отношение максимального момента к номинальному определяет перегрузочную способность синхронного двигателя

 

 

 

Рисунок 14.1 - Работа синхронной машины в двигательном режиме

 

При неизменном напряжении сети Uc результирующее магнитное поле синхронного двигателя постоянно. Поэтому при изменении МДС возбуждения Fв МДС статора Fa изменяется таким образом, чтобы их совместное действие оставалось неизменным, т.е. оставалось неизменным результирующее магнит­ное поле. Это изменение МДС Fa может происходить за счет изменения значе­ния и фазы тока, т.е. за счет изменения реактивной составляющей тока статора. При увеличении тока возбуждения от Iв=0, возрастает МДС ротора и уменьша­ется МДС статора, за счет уменьшения индуктивной (по отношению к напря­жению сети) составляющей тока статора Id, которая оказывает на магнитную систему подмагничивающее воздействие (см. рисунок 14.2). При этом полный ток статора I1=Ia+Id  уменьшается, коэффициент мощности двигателя costφ1 увеличивается. При некотором значении тока возбуждения Iв, индуктивная составляющая тока ста­тора уменьшается до нуля. Ток статора станет чисто активным, а коэффициент мощности cosφ1 =1.

При увеличении тока возбуждения сверх значения 1ен, т.е. перевозбуждение вызывает увеличение тока Id, но теперь увеличивается емкостная (по отно­шению к напряжению сети) составляющая тока I1. Таким образом, при недовозбужденин синхронный двигатель работает с отстающим, а при перевозбужде­нии - с опережающим током.

Зависимость тока статора от тока возбуждения для синхронного двигате­ля представлена U образными характеристиками (см. рисунок 14.2). Синхронный двигатель является генератором реактивного тока: индуктивного по отношению к сети - при недовозбуждении и емкостного - при перевозбуждения. Указанная способность синхронных двигателей является их ценным качеством, которое используется для повышения коэффициента мощности электрических устано­вок.

Рабочие характеристики синхронного двигателя представляют собой за­висимости частоты вращения п2, потребляемой мощности Р1, полезного момен­та M2, коэффициента мощности cosφ и тока статора I1 от полезной мощности двигателя Р2.

 

                                      

 

                                                   

Рисунок 14.2 - U-образные   характеристики синхронного двигателя

 

Частота вращения ротора п2 = const и поэтому характеристика п2 =f(P2) прямая параллельная оси абсцисс. Полезный момент на валу M2=f(P2 1) харак­теристика M2=f(P2) имеет вид прямой, выходящей из начала координат.

Мощность, потребляемая из сети, Р1= Р2+∆Р, а так как с ростом нагрузки на валу растут и потери мощности ∆Р, то характеристика P1=f(P2) имеет не­сколько криволинейный характер.

Характеристика cosφ1=f(P2) зависит от характера возбуждения двигателя при холостом ходе. Если Со10 = 1, то при увеличении нагрузки он уменьшает­ся.

Ток в обмотке статора  с увеличением нагрузки на валу двигателя растет быстрее, чем потребляемая мощность p1 , вследствие умень­шения cosφ1.

 

 

 

15 Лекция №15  Генераторы постоянного тока

Цель лекции:

- ознакомить студентов:

- с областью  применения генераторов постоянного тока;

- с  генераторами различного возбуждения.

Содержание  лекции:

- область применения  генераторов постоянного тока;

- генератор независимого возбуждения;

- генератор параллельного возбуждения;

- генератор последовательного возбуждения;

- генератор смешанного возбуждения.

В тех случаях, когда по условиям производства необходим или предпочтителен большой ток (предприятия химической и металлургической промышленности, транспорт и др.), его получают, преобразуя переменный ток в постоянный с помощью преобразователей, в качестве которых широко применяют установки двигатель-генератор. В качестве источника энергии генераторы постоянного тока работают, главным образом, в изолированных установках (как возбудители синхронных машин), на автомашинах, самолетах, при сварке дугой, для освещения поездов, на кораблях и др.

Характеристики генератора постоянного тока. Свойства генераторов анализируют с помощью характеристик, устанавливающих зависимость между основными величинами, определяющими работу генератора: э.д.с. Е, напряжение на зажимах генератора U, ток возбуждения IВ, ток в якоре IЯ и частота вращения п. Так как генераторы чаще всего работают с постоянной частотой вращения, то основную группу характеристик снимают при неизменной частоте вращения (n=const). Напряжение U имеет наибольшее значение, поскольку оно определяет свойства генератора в отношении той сети, на которую он работает. Поэтому основными характеристиками являются:

а) нагрузочная U=f(IВ) при IЯconst. В частном случае, когда IЯ=0, нагрузочная характеристика переходит в характеристику х.х., имеющую важное значение для оценки генератора и построения других характеристик;

б) внешняя U=f(IЯ) при RВ=соnst;

в) регулировочная IВ=f(I) при U=const. В частном случае, когда U=0, регулировочная характеристика переходит в характеристику к.з. IК=f(IВ). Режим работы электрической машины при условиях, для которых она предназначена, называют номинальным режимом работы. Номинальный режим работы характеризуется величинами, обозначенными на заводском щитке машины как номинальные: напряжение, мощность, ток, частота вращения.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15.1 – Схема работы генератора

 

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток iЯ=IЯ/(2a), в результате взаимодействия которого с основным магнитным полем машины на каждый проводник обмотки якоря действует сила

FЭМ=BСРliЯ,                                                   (15.1)

 

где BСР – среднее значение магнитной индукции в зазоре;

       l – длина якоря.

Величина электромагнитного момента (Н·м).

 

M=FЭМ0,5DN=BСРliЯ0,5DN,

 

где N – число активных проводников обмотки якоря.

Имея в виду, что iЯ=IЯ/(2a); πD=2рτ; и магнитный поток возбуждения Ф=ВСР, получим M=BСРl(IЯ/2a)·(2рτ/2π); NNIЯФ/(2πа), или

 

М=СМIЯ Ф,                                                (15.2)

 

где СМN/(2πа) – величина, постоянная для данной машины.

 

 

 

Нагрузочная характеристика

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15.2 – Нагрузочная характеристика генератора

независимого возбуждения

 

 

Внешняя характеристика

 

 

 

 

 

 

                     а)                                                                   б)

 

Рисунок 15.3 – Внешняя характеристика генератора независимого возбуждения (а) и ее построение (б).

Регулировочная характеристика

    а)                                                         б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15.4 – Регулировочная характеристика генератора независимого возбуждения (а) и ее построение (б)

 

6.3 Генератор параллельного возбуждения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Рисунок 15.5 – Схема генератора                  Рисунок 15.6 – Самовозбуждение генератора                                                                          параллельного возбуждения                                 параллельного возбуждения

 

 

 

 

Характеристика холостого хода.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 15.7 – Характеристика                         Рисунок 15.8 – Внешние характеристики

х.х. генератора                                                    генераторов параллельного 1 и

параллельного возбуждения                              независимого 2 возбуждения

 

6.4 Генератор последовательного возбуждения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


   

                    а)                                                                       б)

Рисунок 15.9 – Схема (а) и внешняя характеристика (б) генератора    последовательного    возбуждения

16 Лекция №16. Двигатели постоянного тока. Способы пуска,   характеристики двигателей

Цель лекции:

- ознакомить студентов;

           - с классификацией двигателей постоянного тока;

- характеристиками двигателей постоянного тока.

Содержание  лекции:

- общие сведения о двигателях постоянного тока;

- способы пуска;

- характеристики двигателей.

Общие сведения о двигателях постоянного тока

Двигатели постоянного тока находят широкое применение в промышленных, транспортных, крановых и других установках, где требуется широкое плавное регулирование частоты вращения. Одна и та же электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. Это свойство электрических машин называют обратимостью.

Предположим, что к двигателю подведено напряжение UСЕТИ = const. При заданной на рисунке 16.1 полярности полюсов и направлении тока IЯ в якоре (обмотка якоря показана только одним проводником) на валу двигателя создается вращающий электромагнитный момент М, направленный против вращения часовой стрелки. Под действием этого момента двигатель вращается в направлении момента с постоянной частотой п.

 

 

Рисунок 16.1 – Направление момента и противо-э.д.с. обмотки якоря двигателя

 

Для двигателя, работающего с постоянной частотой вращения, можно составить уравнение э.д.с.

UСЕТИЯ+IЯRЯ ,

 

где ЕЯ и IЯэ.д.с и ток, соответствующие установившемуся режиму работы;

      IЯRЯ – падение напряжения в сопротивлениях цепи якоря двигателя.

Уравнение моментов двигателя. Электромагнитный момент двигателя

 

М=(1/π)NIЯpФ/(2а)=CМIЯФ                             (16.1)

 

создается в результате взаимодействия основного магнитного поля Ф и тока в обмотке якоря IЯ и расходуется на преодоление тормозящих моментов:

а) момента х.х. М0;

б) полезного момента М2;

в) динамического момента Mj.

Момент х.х. М0 существует при любом режиме работы двигателя и определяется трением в подшипниках, трением щеток о коллектор, вентиляционными потерями и потерями в стали. Полезный момент М2 определяется свойствами рабочей машины и характером производственного процесса. Динамический момент возникает при всяком изменении частоты вращения двигателя

MjJ(/d),                                          (16.2)

 

где J – момент инерции всех вращающихся частей;

      ω – угловая скорость вращения якоря.

Если частота вращения двигателя увеличивается, то момент Еj положителен и, складываясь с моментами М0 и М2, увеличивает тормозной момент на валу двигателя. При уменьшении п момент Mj отрицателен и уменьшает общий тормозной момент. Зависимость между вращающим и тормозным моментами двигателя на его валу определяется законом равновесия моментов: в любых условиях работы двигателя эти моменты находятся во взаимном равновесии, т.е. равны друг другу по величине, но направлены в противоположные стороны. При n=const момент Mj=0 и тогда

 

М=М02СТ                                        (16.3)

 

где МСТ – статический момент сопротивления на валу двигателя.

Энергетическая диаграмма двигателя. На рисунке 16.2 изображена энергетическая диаграмма двигателя параллельного возбуждения, работающего в установившемся режиме, т.е. при n=const. К двигателю из сети подводится мощность P1=UCI, которая покрывает потери в цепи возбуждения RВ и электрические потери в цепи якоря I2ЯRЯ, а оставшаяся ее часть составляет электромагнитную мощность якоря РЭМЯIЯ преобразующуюся в полную механическую мощность РМ двигателя. Полезная механическая мощность на валу двигателя Р2 меньше полной механической мощности РМ на величину мощности P0 необходимой для покрытия потерь в стали РС и механических потерь РМЕХ, т.е.

 

Р2М  – (РСМЕХ).

 

 


Рисунок 16.2 – Энергетическая диаграмма двигателя

параллельного возбуждения

 

В зависимости от способа включения обмотки возбуждения и обмотки якоря различают следующие типы двигателей постоянного тока:

а) параллельного возбуждения;

б) последовательного возбуждения;

в) смешанного возбуждения, в которых имеются две обмотки возбуждения: параллельная и последовательная. Двигатели постоянного тока оцениваются по совокупности следующих видов характеристик: пусковых, рабочих, регулировочных и механических.

Пусковые характеристики.

Пусковые характеристики определяются следующими величинами:

а) пусковым током IПУСК характеризуемым отношением IПУСК/IНОМ;

б) пусковом моментом МПУСК, характеризуемым отношением МПУСК/МНОМ

в) плавностью пусковой операции;

г) временем пуска в ход tПУСК;

д) экономичностью операции, определяемой стоимостью пусковой аппаратуры.

В начальный момент пуска двигателя его якорь неподвижен, противо-э.д.с. в обмотке якоря равна нулю и ток в якоре двигателя IЯ=UС/RЯ. Сопротивление цепи якоря невелико, поэтому пусковой ток превышает номинальный в 20 и более раз. Резкий скачок тока при пуске создает на валу двигателя большой пусковой момент, который может вызвать механические разрушения, как самого двигателя, так и исполнительного механизма, привести к резкому падению напряжения в сети и вызвать интенсивное искрение под щетками. Поэтому при пуске двигателя в ход для ограничения пускового тока применяют пусковые реостаты, включаемые последовательно в цепь якоря (см. рисунок 16.3). По мере увеличения частоты вращения якоря противо-э.д.с. увеличивается, а ток якоря уменьшается, поэтому сопротивление реостата следует уменьшить так, чтобы в конце пуска оно было полностью выведено, и чтобы пусковой ток превышал номинальный не более чем в два-три раза.

 

 

Рисунок 16.3 – Схема включения пускового реостата в цепь двигателя

параллельного возбуждения

Двигатель параллельного возбуждения

Для пуска в ход двигателей постоянного тока применяют двух-, трех- и четырехзажимные пусковые реостаты. На рисунке 16.4 представлена схема включения трехзажимного пускового реостата для двигателя параллельного возбуждения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 16.4 – Диаграмма процесса пуска двигателя в ход

 

Реостат имеет шесть контактов: пять рабочих (1, 2, 3, 4, 5) и один холостой (нулевой 0); три зажима Л, Ш, Я, которые соответственно подключаются к линии, обмотке возбуждения и к якорю. Скользящий контакт реостата перемещается по неподвижным контактам и контактной дуге Д,

благодаря которой обмотка возбуждения оказывается включенной на полное напряжение сети. Регулировочный реостат в цепи возбуждения rРГ следует вывести, так как в этом случае ток возбуждения IВ, магнитный поток Ф и вращающий момент двигателя достигают наибольшей величины, что облегчает пуск двигателя в ход. Рабочие характеристики двигателя имеют вид  М,I, η=f(IЯ) при U=UНOM=const и ТB=cons(см.  рисунок 16.6, б).

 

а)                                                                  б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Схема двигателя показана на рисунке 16.6, а

Рисунок 16.6 – Схема двигателя параллельного возбуждения (а)

и его рабочие характеристики (б)

 

 

17 Лекция № 17 Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока

Цель лекции:

- ознакомить студентов:

 -с регулированием частоты вращения двигателей постоянного  тока.

Содержание  лекции:

- регулирование частоты вращения двигателей постоянного  тока.

- изменением напряжения сети;

- изменением падения напряжения в сопротивлениях цепи якоря;

- изменением потока возбуждениия.

Одним из основных достоинств двигателей постоянного тока является возможность плавного регулирования частоты вращения в широких пределах. В общем случае в цепь якоря двигателя может быть включен регулировочный реостат Rрг. Тогда из формулы п=[UIЯ(RЯ+Rрг)]/(сеФ) следует, что частоту вращения двигателей постоянного тока можно регулировать:

а) изменением напряжения сети U;

б) изменением падения напряжения в сопротивлениях цепи якоря IЯ(RЯ+Rрг);

в) изменением потока возбуждения, а следовательно, изменением тока возбуждения IЯ.

Первый способ возможен только в специальных установках, допускающих регулирование напряжения сети U. Реостат Rpг в цепи якоря должен быть подобран так, чтобы можно было регулировать частоту вращения в желаемых пределах. Предположим, что напряжение сети и ток возбуждения остаются постоянными, т.е. U=const и IЯ=const, кроме того, статический момент МСТ02 не зависит от частоты вращения двигателя. При выведенном реостате Rpг установившийся режим работы двигателя характеризуется вращающим моментом М2, частотой вращения п1, и током в цепи якоря I21. Сразу же после введения регулировочного реостата Rpг частота вращения и противо-э.д.с. остаются без изменения вследствие значительного момента инерции якоря, а ток в цепи якоря уменьшается до значения I21'. Соответственно уменьшается и вращающий момент двигателя.

Превышение нагрузочного момента над вращающим моментом приводит к снижению частоты вращения якоря, уменьшению противо-э.д.с. и увеличению тока в цепи якоря (см. рисунок 17.1). На рисунке 17.2 представлены две регулировочные характеристики двигателя, снятые при различных значениях тока якоря: при IЯ<IНОМ и при IЯ=IНОМ. Из этих характеристик видно, что при малом значении тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи возбуждения IВ=0 частота вращения неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17.1-Процесс регулирования

частоты вращения реостатом в  цепи якоря (а) и в цепи возбуждения (б)

 

На рисунке 17.3 приведена схема включения двигателя последовательного возбуждения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17.2 – Регулировочная характеристика двигателя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17.3 -Схема включения двигателя последовательного возбуждения.

 

Рабочие характеристики двигателя имеют вид М и η=f(IЯ) при U=UНОМ=const. В двигателях последовательного возбуждения ток якоря одновременно является током возбуждения (IЯ=IВ=I), поэтому магнитный поток Ф при различной нагрузке машины испытывает значительные изменения, и это составляет его характерную особенность. При работе двигателя последовательного возбуждения главное значение имеет изменение основного магнитного потока полюсов, если не учитывать падения напряжения IЯRЯ и реакцию якоря.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17.4 – Рабочие характеристики двигателя последовательного     возбуждения

                                                                                          

Регулирование частоты вращения изменением магнитного потока возбуждения. При обычной схеме включения обмоток двигателя ток в обмотке возбуждения равен току якоря. Если замкнуть рубильник Р1 (см. рисунок 17.5, б), то ток возбуждения уменьшится, увеличивая частоту. При повышении частоты вращения условия коммутации ухудшаются и ограничивают верхний предел частоты вращения якоря, который не превышает 1,4 номинальной. Для оценки этого способа регулирования частоты вращения введено понятие о коэффициенте ослабления поля kО.П.=RШ.В/(RВ+RШ.В), где RШ.В – шунтирующее сопротивление параллельной обмотки возбуждения. Аналогичное увеличение частоты вращения якоря можно получить, если выполнить обмотку возбуждения секционированной, т.е. сделать отводы от некоторых витков обмотки возбуждения и производить изменения н.с. этой обмотки (см. рисунок 17.5, в). Изменение сопротивления регулировочного реостата в цепи якоря также позволяет регулировать частоту вращения двигателя (UД – напряжение на двигателе).

 

 

а)                                                             б)                                     в) 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 17.5 – Схемы регулирования частоты вращения двигателя последовательного возбуждения:

а – изменением схемы включения; б – изменением тока возбуждения;

в – секционированием обмотки возбуждения.

 

Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения, одна Ш из которых включается параллельно обмотке якоря, а вторая С – последовательно (см. рисунок 17.5 б).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Рисунок 17.6 – Схема включения              Рисунок 17.7 – Рабочие характеристики

   двигателя смешанного возбуждения          двигателя смешанного возбуждения                                                 

 

Соотношение н.с. обмоток может быть различным, но обычно одна из обмоток создает большую н.с. ее называют основной. Частота вращения двигателя п=(UIЯRЯ)[се1±Ф2)], где Ф1, Ф2– магнитные потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения соответственно. Поэтому магнитный поток с увеличением нагрузки возрастает, что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток магнитный поток Ф2 при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), увеличивая частоту вращения. При пуске двигателя смешанного возбуждения со встречным включением обмоток возбуждения магнитный поток последовательной обмотки Ф2 может заметно ослабить результирующий поток двигателя и этим осложнить процесс пуска. Чтобы избежать этого, последовательную обмотку таких двигателей иногда замыкают накоротко на все время пуска.

 

Список литературы 

1. Копылов И.П. Электрические машины.-М.: Высшая школа, Логос, 2000.

2. Проектирование электрических машин. /Под общей редакцией И.П. Копылова.- М.: Энергия, 2002.

3. Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Хвостов В.С.  Электрические машины.- М., 1987.

         4. Вольдек А.И. «Электрические машины»: Учебник для студентов выс. техн. учебн. заведений. Изд. 2-е.-М.: «Энергия», 1974.