Avdeiko_Adamovich_Vershinin1

Якорь тахогенератора жестко закреплен на валу, скорость вращения которого требуется измерить, а обмотку якоря подключают, например, к вольтметру. Так как тахогенератор практически работает в режиме холостого хода, то напряжение на его зажимах равно ЭДС, которая, в свою очередь, пропорциональна скорости вращения вала. Е = кФω , поэтому вольтметр непосредственно можно проградуировать в об/мин.

8.13.Высокомоментные двигатели постоянного тока

Кдвигателям специальной конструкции относятся машины с возбуждением при помощи постоянных магнитов. В этом двигателе реакция якоря практически не влияет на основной магнитный поток, поэтому он может развивать повышенный электромагнитный момент.

Контрольные вопросы и задачи

1.При включении двигателя постоянного тока в сеть возникает вращающий момент. Известно, что если на тело (ротор) действует момент, оно получает ускорение. Означает ли это, что скорость вращения ротора будет увеличиваться до бесконечности? Трением пренебречь.

2.Амперметр, включенный в цепь якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения, который работает под нагрузкой, увеличил показание в 2 раза. Назовите возможные причины увеличения тока.

3.Двигатель постоянного тока при вращении рабочей машины потребляет некоторый ток. Изменится ли величина этого тока, если рассоединить муфту сцепления между валами рабочей машины и двигателя?

4.Как изменится скорость вращения двигателя ω независимого возбуждения, ток обмотки якоря IЯ, ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент МЭМ , если:

−изменить (увеличить или уменьшить) напряжение сети;

−включить сопротивление в цепь якоря;

−уменьшить ток в цепи возбуждения;

−изменить механическую нагрузку на валу двигателя.

Как будут изменяться во времени вышеуказанные параметры в переходный период при этих условиях? Показать временную диаграмму процесса.

161

5.Как и почему изменяется ток якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения с момента включения в сеть до установившегося режима? Показать временную диаграмму.

6.Какими способами можно реверсировать двигатель постоянного тока независимого возбуждения? Нарисовать одну из схем с применением двухполюсного переключателя.

7.Двигатель постоянного тока независимого возбуждения работает

врежиме А. Как перевести работу двигателя в новый режим, соответст-

вующий точке: 1) В; 2) С; 3) Д; 4) М; 5) N (рис.).

Объяснить с помощью механической характеристики, как проходит переходный процесс.

8. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения с помощью лебедки поднимает груз. Как будет изменяться и как изменится режим работы двигателя, если:

–якорь отключили от сети и замкнули накоротко;

–поменяли полярность приложенного напряжения;

–оборвался груз.

Показать на механической характеристике переходный процесс и новый установившийся режим.

9. Режим работы генератора постоянного тока независимого возбуждения характеризуется напряжением на зажимах якоря, током в цепи якоря и током в цепи возбуждения. Как по двум параметрам определить третий, если известна характеристика холостого хода и семейство внешних характеристик? Ответ пояснить графически.

162

10. Как изменится напряжение на зажимах якоря генератора постоянного тока независимого возбуждения, работающего на нагрузку с постоянным сопротивлением, если:

–уменьшить ток в цепи возбуждения;

–увеличить скорость вращения приводного двигателя.

11. По результатам двух опытов определить сопротивление обмотки якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения, включенного в сеть напряжением 220 В. При нагрузке, соответствующей току якоря 9 А, двигатель вращался с частотой η1 = 3000 об/мин, а при токе 4,5 А – η2 = 3100 об/мин. Определить электромагнитные моменты в обоих случаях, а также частоту вращения при холостом ходе.

План решения:

Записать уравнения электромеханической характеристики двигателя

kΦ и rя. После этого можно найти электромагнитные моменты М = kΦIя и электромагнитные мощности Р = ωМ, а также частоту вращения в режиме холостого хода ω0 = υ/kΦ.

Ответ: rя = 1,53 Ом; М1 = 5,88 Нм; М2 = 2,94 Нм; Р1 = 1,85 кВт; Р2 = 0,955 кВт; η0 = 3214 об/мин.

12. Определить номинальный электромагнитный момент двигателя постоянного тока независимого возбуждения, включенного в сеть напряжением U = 220 В, если в номинальном режиме он развивал 1400 об/мин. при включении сопротивления в цепь якоря Rдоб = 2 Ом – 1200 об/мин., а в режиме холостого хода – 1500 об/мин. Какова приблизительно мощность на валу двигателя.

План решения:

Вначале определить kΦ по частоте вращения двигателя в режиме холостого хода kΦ = U/ω0.

Затем составить два уравнения электромеханической характеристики при номинальном токе: естественной и при включении добавочного сопротивления в цепь якоря. Решая два уравнения с двумя неизвестными, определить rя и Iя, а затем электромагнитный момент М = kΦIя.

Вопрос: почему ток холостого хода асинхронного двигателя значительно больше тока трансформатора такой же мощности?

Ответ: М = 20,5 Нм, Р ≈ 2,2 кВт.

163

13. Позволяют ли схемы с помощью двухполюсного переключателя SA с нейтральным положением реверсировать двигатель постоянного тока? Нарисуйте с помощью такого же переключателя еще одну схему реверсирования.

14.Определить сопротивление обмотки якоря двигателя постоянного тока параллельного возбуждения с известной электромеханической характеристикой (см. задача № 11), если напряжение сети U = 220 В.

План решения аналогичен плану решения задачи № 11. Ответ: 2 Ом.

15.Показания приборов в номинальном режиме: I1 = 5 А, I2 = 0,25 А,

U = 115 В.

Определить показание амперметра А1, если при изменении нагрузки вольтметр показал 112 В. Считать характеристику холостого хода линейной в интервале тока возбуждения от 0,15 до 0,3 А. Определить сопротивление нагрузки rн для режима, при котором вольтметр показал 69 В.

164

План решения:

По исходным данным можно определить ЭДС генератора, сопротивление обмотки возбуждения и ток в цепи якоря. Составив уравнение по второму закону Кирхгофа для цепи нагрузки, можно определить сопротивление обмотки якоря.

В новом режиме по напряжению определяют ток возбуждения и новое значение ЭДС. Затем по второму закону Кирхгофа можно определить ток якоря, а ток нагрузки будет меньше тока якоря на величину тока возбуждения. Аналогично определяют ток нагрузки и его сопротивление при

U = 69 В.

Ответ: 6,79 А, 2,13 Ом.

16. Во сколько раз изменится ток якоря двигателя постоянного тока параллельного возбуждения, если напряжение сети уменьшилось на 20 %, а момент нагрузки остался неизменным. Зависимость магнитного потока от тока возбуждения показана на рис.

Ответ: Iя/Iян =1,11.

Ф/Фн1

0,8

0,6

0,4

0,2

Iв/Iвн

0,2 0,4 0,6 0,8 1

165

9. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Асинхронная машина, как и машина постоянного тока, обратима, т.е. может работать в режиме как генератора, так и двигателя. Однако асинхронная машина применяется, главным образом, для преобразования электрической энергии в механическую. Асинхронные электродвигатели работают благодаря созданию вращающегося магнитного поля (ВМП) неподвижной системой токов.

9.1.Образование вращающегося магнитного поля

9.1.1.Двухфазная система токов

Вращающееся магнитное поле можно получить с помощью двух одинаковых неподвижных катушек, плоскости которых сдвинуты в пространстве на 90º, если по ним пропускать синусоидальный ток, сдвинутый во времени (по фазе) на четверть периода.

Пусть по катушке 1 (рис. 9.1, а) протекает синусоидальный ток, который будет создавать пульсирующий магнитный поток в горизонтальной плоскости (сплошные магнитные силовые линии). Индукция этого магнитного поля в центре катушки B1 = Bm sin ωt .

Если по второй катушке пропустить такой же переменный ток, но сдвинутый во времени на четверть периода, то он создает в центре катушек индукцию B2 = Bm cos ωt .

Результирующая индукция в центре катушек определится геометрической суммой векторов B1 и B2. (рис. 9.1, б).

Рис. 9.1. Образование ВМП двухфазной системой токов: а – схема; б – векторная диаграмма

166

Так как векторы B1 и B2 сдвинуты на 90º, то модуль результирующего вектора

B = B12 + B22 = Bm2 sin2 ωt + Bm2 cos2 ωt = Bn .

Несмотря на то, что каждый из этих векторов изменяется во времени, результирующий вектор не зависит от времени и равен амплитуде составляющих векторов.

Изменяется ли направление этого вектора в пространстве? Определим угол α между вертикальной осью и вектором В:

Угол α непрерывно и равномерно возрастает во времени, т.е. вектор индукции В равномерно вращается с угловой скоростью ω, равной частоте переменного тока. Для частоты f = 50 Гц ω = 2πf = 2π50 = 314 c–1 .

В данном случае угловая скорость равна 314 рад/с, или 50 оборотов в секунду, или 3000 оборотов в минуту.

Таким образом, два неподвижных тока, сдвинутых в пространст-

ве на 90º и во времени на четверть периода, образуют круговое вращающееся магнитное поле.

Такая двухфазная система токов создается обычно в маломощных двигателях. Экономически наиболее целесообразно создание ВМП трехфазной системой токов.

9.1.2. Трехфазная система токов

Вращающееся магнитное поле можно получить также системой трех катушек, сдвинутых в пространстве на 120º, по которым протекают синусоидальные токи, сдвинутые во времени на треть периода, т.е по фазе на

120º (рис. 9.2, а).

Подобно двухфазной системе токов индукция магнитного поля в центре катушек определится геометрической суммой векторов индукции, созданной каждым током в отдельности. Более наглядно можно показать создание ВМП графически построением картины магнитного поля через определенные промежутки времени, например, через 1/6 часть периода (рис. 9.2, б).

На рис. 9.2, в показана временная диаграмма токов в катушках. Условимся положительный ток обозначать крестиком у начала обмотки и точкой у конца. На рис. 9.3 показаны направление токов в обмотках в моменты времени t0 = 0 , t1 = T / 6 , t2 = T / 3 , t3 = T / 2 и картина магнитного поля в эти моменты времени.

167

гласно (конец первой секции соединен с началом второй), получим 2 пары полюсов (рис. 9.4, б и рис. 9.5), а соединяя их последовательно и встречно

– одну пару полюсов (рис. 9.4, в и рис. 9.6).

Рис. 9.4. Двухсекционная трехфазная обмотка (а); токо- и потокораспределение в секциях при согласном (б) и встречном (в) их включении

Рис. 9.5. Последовательное согласное соединение двух секций трехфазной обмотки

Рис. 9.6. Последовательное встречное включение двух секций трехфазной обмотки

169

На рисунках показаны направления токов и создаваемых ими магнитных потоков в момент времени t = 0, когда ток в первой обмотке отсутствует, ток во второй обмотке отрицательный, в третьей – положительный (см. рис. 9.2, в). Условимся положительный ток обозначать крестиком, т.е. входящим в начало обмотки. Начала трех обмоток обозначим соответственно С1, С2 и С3, а концы – С4, С5 и С6.

Если построить картину магнитного поля для дискретных моментов времени (например, через 1/6 часть периода), то обнаружится, что магнитное поле с двумя парами полюсов будет вращаться в 2 раза медленнее.

Действительно, за 1/2 периода полюса поменяются и северный полюс станет южным, а южный – северным, т.е. в пространстве поле переместится на 1/4 оборота.

Таким образом, скорость вращения магнитного поля зависит не только от частоты питающего напряжения, но и от числа пар полюсов р.

на рис. 9.7, а.

Неподвижная часть машины – статор – представляет собой полый цилиндр, составленный из листов электротехнической стали. Зубчатые листы в сборе образуют на внутренней поверхности пазы, в которые укладывается трехфазная обмотка. Одна фаза этой обмотки показана на рис. 9.7, б; на рис. 9.7, в – условное графическое обозначение трехфазной обмотки.

Выводы этой обмотки соединены с клеммной колодкой для подключения к сети, или «звездой» (рис. 9.8, а), или треугольником (рис. 9.8, б).

Вращающаяся часть двигателя – ротор – имеет форму цилиндра и подобно статору набирается из листов электротехнической стали. В пазах ротора укладывается обмотка, которая может быть выполнена в двух вариантах.

170