Соединение трехфазной цепи звездой

Соединение обмоток генератора и приемников энергии звездой представляет собой схему, когда концы фаз соединяются в общий узел, а их начала присоединяются к линейным проводам

Схема соединения звезда

Рис. 1

Провод OO’ называется нулевым или нейтральным, остальные — линейными. Введем следующие понятия:

• Iл — линейный ток — это ток протекающий по линейному проводу;

• Uл — линейное напряжение — это напряжение между линейными проводами;

• Iф — фазный ток — это ток, протекающий от начала к концу фазной обмотки или приемника энергии (или наоборот: от конца — к началу);

• Uф — фазное напряжение — это напряжение между началом и концом фазной обмотки или приемника энергии. Другими словами можно сказать: фазное напряжение — это напряжение между линейным и нулевым проводами.

При симметричной нагрузке нулевой провод практически не нужен, так как ток Io в нем равен нулю. Поэтому, в этих случаях применяют трехпроводные системы (соединение треугольником). При несимметричной трехфазной нагрузке нулевой провод обеспечивает постоянство напряжений на фазах.

По рисунку может показаться, что линейное напряжение вдвое больше фазного. Но это не так. Линейное напряжение равно не алгебраической сумме, а геометрической разности.

Для того чтобы получить вектор линейного напряжения, например Uл (АВ), нужно к концу вектора UфА подстроить вектор UфВ с обратным знаком. Вектор, соединяющий начало координат с концом вектора UфВ, и будет вектором линейного напряжения Uл (АВ). Аналогично ведется построение векторов линейных напряжений Uл (ВС) и Uл (АС).

Векторная диаграмма линейных и фазных напряжений

Рис. 2

В результате построений образовалась трехлучевая звезда линейных напряжений, повернутых относительно звезды фазных напряжений на угол 30° против часовой стрелки. Из полученных таким образом треугольников с тупым углом в 120° следует:

Для симметричной системы:

Uл(AB) = Uл(BC) = Uл(CA) = Uл

UфA = UфB = UфC = Uф

Если линейное напряжение, например, равно 380 В, то фазное будет:

Если же фазное напряжение Uф = 127В, то линейное будет:

21.)Трёхфазная цепь, при соединении треугольником

Соединение трехфазной цепи треугольником

При соединении обмоток генератора и приемников энергии треугольником конец предыдущей фазы соединяется с началом последующей, образуя замкнутую систему. К линейным проводам в этом случае подключаются узловые точки.

Схема соединения треугольник

Рис. 1

Векторная диаграмма линейных и фазных токов

Рис. 2

Вектор фазного тока располагается рядом с вектором соответствующего фазного напряжения под углом φ. Последний определяется характером нагрузки. Если, например, нагрузка активная, то φ = 0о, а при индуктивной нагрузке φ = 90о.

Для построения векторов линейных токов из каждого фазного тока геометрически вычитают соседний. Нетрудно доказать, что в этом случае линейный ток равен:

22.)Расчёт мощностей в трехфазных цепях

Цепь трехфазного переменного тока состоит из трехфазного источника питания, трехфазного потребителя и проводников линии связи между ними.

Симметричный трехфазный источник питания можно представить в виде трех однофазных источников, работающих на одной частоте с одинаковым напряжением и имеющих временной угол сдвига фаз 120˚. Эти источники могут соединяться звездой или треугольником.

При соединении звездой условные начала фаз используют для подключения трех линейных проводников A, B, C, а концы фаз объединяют в одну точку, называемую нейтральной точкой источника питания (трехфазного генератора или трансформатора). К этой точке может подключаться нейтральный провод N. Схема соединения фаз источника питания звездой приведена на рисунке 1, а.

Рис. 1. Схемы соединения фаз источника питания: а – звездой; б – треугольником

Напряжение между линейным и нейтральным проводами называется фазным, а между линейными проводами – линейным.

В комплексной форме записи выражения для фазных напряжений имеют вид:

Соответствующие им линейные напряжения при соединении звездой:

Здесь Uф – модуль фазного напряжения источника питания, а Uл – модуль линейного напряжения. В симметричной трёхфазной системе, при соединении фаз источника звездой, между этими напряжениями есть взаимосвязь:

При включении фаз треугольником фазные источники питания соединяют последовательно в замкнутый контур (рисунок 1, б).

Из точек объединения источников между собой выводятся три линейных провода A, B, C, идущие к нагрузке. Из рисунка 1, б видно, что выводы фазных источников подключены к линейным проводникам, а следовательно, при соединении фаз источника треугольником фазные напряжения равны линейным. Нейтральный провод в этом случае отсутствует.

К трехфазному источнику может подключаться нагрузка. По величине и характеру трёхфазная нагрузка бывает симметричной и несимметричной.

В случае симметричной нагрузки комплексные сопротивления всех трёх фаз одинаковы, а если эти сопротивления различны, то нагрузка несимметричная. Фазы нагрузки могут соединяться между собой звездой или треугольником (рисунок 2), независимо от схемы соединения источника.

Рис. 2. Схемы соединения фаз нагрузки

Соединение звездой может быть с нейтральным проводом (см. рисунок 2, а) и без него. Отсутствие нейтрального провода устраняет жёсткую привязку напряжения на нагрузке к напряжению источника питания, и в случае несимметричной нагрузки по фазам эти напряжения не равны между собой. Чтобы их отличить, условились в индексах буквенных обозначений напряжений и токов источника питания применять прописные буквы, а в параметрах, присущих нагрузке, – строчные.

Алгоритм анализа трёхфазной цепи зависит от схемы соединения нагрузки, исходных параметров и цели расчёта.

Для определения фазных напряжений при несимметричной нагрузке, соединённой звездой без нейтрального провода, используют метод двух узлов. В соответствии с этим методом расчёт начинают с определения напряжения UN между нейтральными точками источника питания и нагрузки, называемого напряжением смещения нейтрали:

где ya , yb , yc – полные проводимости соответствующих фаз нагрузки в комплексной форме

Напряжения на фазах несимметричной нагрузки находят из выражений:

В частном случае несимметрии нагрузки, когда при отсутствии нейтрального провода происходит короткое замыкание одной из фаз нагрузки, напряжение смещения нейтрали равно фазному напряжению источника питания той фазы, в которой произошло короткое замыкание.

Напряжение на замкнутой фазе нагрузки равно нулю, а на двух других оно численно равно линейному напряжению. Например, пусть произошло короткое замыкание в фазе В. Напряжение смещения нейтрали для этого случая UN = UB. Тогда фазные напряжения на нагрузке:

Фазные токи в нагрузке, они же и токи линейных проводов при любом характере нагрузки:

В задачах при проведении расчётов трёхфазных цепей рассматривают три варианта соединения трёхфазных потребителей звездой: соединение с нейтральным проводом при наличии потребителей в трёх фазах, соединение с нейтральным проводом при отсутствии потребителей в одной из фаз и соединение без нейтрального провода с коротким замыканием в одной из фаз нагрузки.

В первом и втором вариантах на фазах нагрузки находят соответствующие фазные напряжения источника питания и фазные токи в нагрузке определяются по приведенным выше формулам.

В третьем варианте напряжение на фазах нагрузки не равно фазному напряжению источника питания и определяется с помощью зависимостей

Токи, в двух незакороченных фазах, определяют по закону Ома, как частное от деления фазного напряжения на полное сопротивление соответствующей фазы. Ток в закороченной фазе определяют с помощью уравнения на основании первого закона Кирхгофа, составленного для нейтральной точки нагрузки.

Для рассмотренного выше примера с коротким замыканием фазы В:

При любом характере нагрузки трёхфазная активная и реактивная мощности равны соответственно сумме активных и реактивных мощностей отдельных фаз. Для определения этих мощностей фаз можно воспользоваться выражением

где Uф,Iф, – комплекс напряжения и сопряжённый комплекс тока на фазе нагрузки; Pф, Qф – активная и реактивная мощности в фазе нагрузки.

Трёхфазная активная мощность: P = Pа + Pb + Pс

Трёхфазная реактивная мощность: Q = Qа + Qb + Qс

Трёхфазная полная мощность:

При подключении потребителей треугольником схема приобретает вид, изображённый на рисунке 2, б. В этом режиме схема соединения фаз симметричного источника питания не играет роли.

На фазах нагрузки находят линейные напряжения источника питания. Фазные токи в нагрузке определяют с помощью закона Ома для участка цепи Iф = Uф/zф, где Uф – фазное напряжение на нагрузке (соответствующее линейное напряжение источника питания); zф – полное сопротивление соответствующей фазы нагрузки.

Токи в линейных проводах определяют через фазные на основании первого закона Кирхгофа для каждого узла (точки a,b,c) схемы, изображённой на рисунке 2, б:

23.)Назначение, классификация и устройства трансформаторов

Трансформаторы — электромагнитные статические преобразователи электрической энергии.

Основное назначение трансформаторов — изменять напряжение переменного тока. Трансформаторы применяются также для преобразования числа фаз и частоты. Наибольшее распространение имеют силовые трансформаторы напряжения, которые выпускаются электротехнической промышленностью на мощности свыше миллиона киловольт-ампер и на напряжения до 1150 - 1500 кВ.

Для передачи и распределения электрической энергии необходимо повысить напряжение турбогенераторов и гидрогенераторов, установленных на электростанциях, с 16 - 24 кВ до напряжений 110, 150, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ, используемых в линиях передачи, а затем снова понизить до 35; 10; 6; 3; 0,66; 0,38 и 0,22 кВ, чтобы использовать энергию в промышленности, сельском хозяйстве и быту.

Т ак как в энергетических системах имеет место многократная трансформация, мощность трансформаторов в 7 - 10 раз превышает установленную мощность генераторов на электростанциях.

Силовые трансформаторы в выпускаются в основном на частоту 50 Гц. 

Трансформаторы малой мощности широко используются в различных электротехнических установках, системах передачи и переработки информации, навигации и других устройствах. Диапазон частот, на которых могут работать трансформаторы, — от нескольких герц до 105 Гц. 

По числу фаз трансформаторы делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные.Силовые трансформаторы выпускаются в основном в трехфазном исполнении. Для применения в однофазных сетях выпускаются однофазные трансформаторы.

Классификация трансформаторов по числу и схемам соединения обмоток

Трансформаторы имеют две или несколько обмоток, индуктивно связанных друг с другом. Обмотки, потребляющие энергию из сети, называютсяпервичными. Обмотки, отдающие электрическую энергию потребителю, называются вторичными.

Многофазные трансформаторы имеют обмотки, соединенные в многолучевую звезду или многоугольник. Трехфазные трансформаторы имеют соединение в трехлучевую звезду и треугольник. 

Повышающие и понижающие трансформаторы

В зависимости от соотношения напряжений на первичной и вторичной обмотках трансформаторы делятся на повышающие и понижающие. Вповышающем трансформаторе первичная обмотка имеет низкое напряжение, а вторичная — высокое. В понижающем трансформаторе, наоборот, вторичная обмотка имеет низкое напряжение, а первичная — высокое.

Трансформаторы, имеющие одну первичную и одну вторичную обмотки, называются двухобмоточными. Достаточно широко распространенытрехобмоточные трансформаторы, имеющие на каждую фазу три обмотки, например две на стороне низкого напряжения, одну — на стороне высокого напряжения или наоборот. Многофазные трансформаторы могут иметь несколько обмоток высокого и низкого напряжения.

Классификация трансформаторов по конструкции

По конструкции силовые трансформаторы делят на два основных типа — масляные и сухие.

В масляных трансформаторах магнитопровод с обмотками находится в баке, заполненном трансформаторным маслом, которое является хорошим изолятором и охлаждающим агентом.

Сухие трансформаторы охлаждаются воздухом. Они применяются в жилых и промышленных помещениях, в которых эксплуатация масляного трансформатора является нежелательной. Трансформаторное масло является горючим, и при нарушении герметичности бака масло может повредить другое оборудование.

Автротрансформаторы

Наряду с трансформаторами широко применяются автотрансформаторы, в которых имеется электрическая связь между первичной и вторичной обмотками. При этом мощность из одной обмотки автотрансформатора в другую передается как магнитным полем, так и за счет электрической связи. Автотрансформаторы строятся на большие мощности и высокие напряжения и применяются в энергосистемах, а также используются для регулирования напряжения в установках небольшой мощности.

Номинальные данные трансформаторов

Номинальные данные трансформатора, на которые он рассчитан с заводской гарантией на 25 лет указываются в паспортной табличке трансформатора:

• номинальная полная мощность Sном, КВ-А,

• номинальное линейное напряжение Uл.ном, В или кВ,

• номинальный линейный ток Iл.ном. А,

• номинальная частота f, Гц,

• число фаз,

• схема и группа соединения обмоток,

• напряжение короткого замыкания Uк, %,

• режим работы,

• способ охлаждения.

В табличке приводятся также данные, необходимые для монтажа: полная масса, масса масла, масса выемной (активной) части трансформатора. Указываются тип трансформатора в соответствии с ГОСТ на марки трансформаторов и завод-изготовитель.

Номинальная мощность однофазного трансформатора Sном=U1ном I1ном, a трехфазного

где U1лном, U1фном, I1лном и I1фном — соответственно номинальные линейные и фазные значения напряжений и токов.

Номинальными напряжениями трансформатора являются линейные напряжения при холостом ходе на первичной и вторичной обмотках трансформатора. За номинальные токи первичной и вторичной обмоток трансформатора принимаются токи, рассчитанные по номинальной мощности при номинальных первичных и вторичных напряжениях. 

Ввиду общности конструкции и методов расчета к трансформаторам могут быть отнесены реакторы, дроссели насыщения и сверхпроводящие индуктивные накопители.

24.)Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Простейший трансформатор состоит из стального магнитопровода 2 (рис. 212) и двух расположенных на нем обмоток 1 и 3. Обмотки выполнены из изолированного провода и электрически не связаны. К одной из обмоток подается электрическая энергия от источника переменного тока. Эту обмотку называют первичной. К другой обмотке, называемойвторичной, подключают потребители (непосредственно или через выпрямитель).

При подключении трансформатора к источнику переменного тока (электрической сети) в витках его первичной обмотки протекает переменный ток i1, образуя переменный магнитный поток Ф. Этот поток проходит по магнитопроводу трансформатора и, пронизывая витки первичной и вторичной обмоток, индуцирует в них переменные э. д. с. е1 и е2. Если к вторичной обмотке присоединен какой-либо приемник, то под действием э. д. с. е2 по ее цепи проходит ток i2.

Э. д. с, индуцированная в каждом витке первичной и вторичной обмоток трансформатора, согласно закону электромагнитной индукции зависит от магнитного потока, пронизывающего виток, и скорости его изменения. Магнитный поток каждого трансформатора является определенной величиной, зависящей от напряжения и частоты изменения переменного тока в источнике, к которому подключен трансформатор. Постоянна также и скорость изменения магнитного потока, она определяется частотой изменения переменного тока. Следовательно, в каждом витке первичной и вторичной обмоток индуцируется одинаковая э. д.с. В результате этого отношение действующих значений э. д. с. Е1 и E2, индуцированных в первичной и вторичной обмотках трансформатора, будет равно отношению чисел витков ?1 и ?2 этих обмоток, т. е.

E1/E2 = ?1/ ?2.

Отношение э. д. с. Евн обмотки высшего напряжения к э. д. с. Eнн обмотки низшего напряжения (или отношение чисел их витков) называется коэффициентом трансформации,

n = Евн / Eнн = ?вн / ?нн.

Коэффициент трансформации всегда больше единицы. Если пренебречь падениями напряжения в первичной и вторичной обмотках трансформатора (в трансформаторах средней и большой мощности они не превышают обычно 2—5 % номинальных значений напряжений U1 и U2), то можно считать, что отношение напряжения U1 первичной обмотки к напряжению U2 вторичной обмотки приблизительно равно отношению чисел их витков, т. е.

U1/U2? ?1/ ?2

Таким образом, подбирая требуемое соотношение между числами витков первичной и вторичной обмоток, можно увеличивать или уменьшать напряжение на приемнике, подключенном к вторичной обмотке. Если необходимо на вторичной обмотке получить напряжение большее, чем подается на первичную, то применяют повышающие трансформаторы, у которых число витков во вторичной обмотке больше, чем в первичной.

В понижающих трансформаторах, наоборот, число витков вторичной обмотки меньше, чем в первичной.

Трансформатор не может осуществить преобразование напряжения постоянного тока. При подключении его первичной обмотки к сети постоянного тока в трансформаторе создается постоянный по величине и направлению магнитный поток, который не может индуцировать э. д. с. в первичной и вторичной обмотках. Поэтому не будет происходить передачи электрической энергии из первичной обмотки во вторичную.

При подключении первичной обмотки трансформатора к сети переменного тока через эту обмотку проходит некоторый ток, называемый током холостого хода. При включении нагрузки по вторичной обмотке трансформатора начинает проходить ток, при этом увеличивается и ток, проходящий по первичной обмотке. Чем больше нагрузка трансформатора, т. е. электрическая мощность и ток i2, отдаваемые его вторичной обмоткой подключенным к ней приемникам, тем больше электрическая мощность и ток i1, поступающие из сети в первичную обмотку.

Ввиду того что потери мощности в трансформаторе обычно малы, можно приближенно принять, что мощности в первичной и вторичной обмотках одинаковы. В этом случае можно считать, что токи в обмотках трансформатора приблизительно обратно пропорциональны напряжениям: I1/I2 ? U2/U1или что токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны числам витков первичной и вторичной обмоток: I1/I2 ? ?2/?1. Это означает, что в повышающем трансформаторе ток во вторичной обмотке меньше, чем в первичной (во столько раз, во сколько напряжение U2 больше напряжения U1), а в понижающем ток во вторичной обмотке больше, чем в первичной. Поэтому в трансформаторах обмотки высшего напряжения выполняются из более тонких проводов, чем обмотки низшего напряжения.

25.)Автотрансформаторы и трехфазные трансформаторы

Автотрансформатор. В случае когда вторичное напряжение не сильно отличается от первичного (при коэффициенте трансформации, близком к единице), вместо обычного двухобмоточного трансформатора выгодно применять автотрансформатор, отличающийся от обычного тем, что его обмотка низшего напряжения составляет часть обмотки высшего напряжения (рис. 226, а). Иными словами, он имеет вместо двух обмоток одну, разделенную на две части. Участок 1—3 образует обмотку высшего напряжения, участок 2—3 — обмотку низшего напряжения. По участку 2—3 протекает разность токов i2 — i1.

В автотрансформаторе потери мощности меньше, чем в двух-обмоточном трансформаторе, при одинаковой номинальной мощности. Это объясняется тем, что в двухобмоточном трансформаторе вся мощность S2=U2I2 передается из первичной цепи во вторичную электромагнитным путем, а в автотрансформаторе электромагнитным путем передается только часть этой мощности S2 (1 – 1/n) (здесь n — коэффициент трансформации). Остальная часть S2/n передается непосредственно из первичной во вторичную цепь в результате электрической связи между ними, поэтому рассчитывать автотрансформатор на эту мощность не требуется. Чем ближе коэффициент трансформации к единице, тем меньше часть мощности S2 передается электромагнитным путем, следовательно, тем меньше масса и габаритные размеры автотрансформатора. Например, при n = 2 электромагнитным путем во вторичную цепь передается половина мощности S2, а при n = 3 — уже 2/3 этой мощности. Следовательно, преимущества автотрансформаторов проявляются только при небольших коэффициентах трансформации, когда разность токов i2 — i1 мала и участок 2—3 включает в себя значительную часть всех имеющихся в трансформаторе витков. При больших коэффициентах трансформации выгоды от применения автотрансформаторов практически нет.

Основным недостатком автотрансформаторов является то, что у них вторичная цепь электрически связана с первичной и должна

Рис. 226. Схемы автотрансформатора (а) и трехфазного трансформатора (б)

поэтому иметь одинаковую с ней изоляцию по отношению к земле. По этой причине, а также по условиям техники безопасности применение автотрансформаторов для связи цепей высокого и низкого напряжения недопустимо.

Трехфазный трансформатор. Схемы соединения обмоток. Трехфазное напряжение обычно преобразуют трехстержне-выми трехфазными трансформаторами (рис. 226,б), в которых первичная и вторичная обмотки каждой фазы расположены на общем стержне. Только при очень больших мощностях (более 10 MB*А в фазе) для этой цели применяют три однофазных трансформатора, так как для транспортирования и монтажа они более удобны. Первичная и вторичная обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены «звездой» (символ Y). «звездой с выведенной нулевой точкой» (символ Yн) или «треугольником» (символ ?).

В трансформаторах, предназначенных для выпрямительных установок, вторичную обмотку иногда соединяют по схеме «зигзаг с выведенной нулевой точкой».

Обычно обмотку высшего напряжения (ВН) соединяют по схеме «звезда», что позволяет при заданном линейном напряжении иметь меньшее число витков в фазе и снижает требования к изоляции обмоток, так как фазное напряжение в схеме «звезда» в ?З раз меньше линейного. Зажимы обмоток ВН обозначают буквами: начала — А, В, С, концы — X, Y, Z; зажимы обмоток низшего напряжения (НН); начала — a, b, c, концы — x, у, Z.

При соединении обмоток трансформатора по схеме Y/Y и ?/? отношение линейных напряжений Uл.вн/Uл.нн при холостом ходе равно отношению ?BH/?Hн = n. При соединении по схеме Y/? отношение этих напряжений будет В ?Зn, а при ?/Y — n/?3.

В каждой фазе трехфазного трансформатора происходят те же процессы, что и в однофазном трансформаторе, поэтому в нем сохраняются те же соотношения между напряжениями, токами и числами витков обмоток.

Группы соединений обмоток. В зависимости от схемы соединения первичной и вторичной обмоток, направления намотки и маркировки выводов трехфазного трансформатора его линейные первичные и вторичные напряжения могут быть сдвинуты по фазе на различный угол. Для облегчения практического включения трансформаторов на параллельную работу приходится разделять

Рис. 227. Электрические схемы и векторные диаграммы напряжений трансформаторов с соединением обмоток по схемам Y/Y и Y/?

их на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах. Группы соединений обозначают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяется углом между векторами первичного и вторичного линейных напряжений, поделенным на 30°, при этом угол отсчитывают от вектора линейного напряжения обмотки ВН по часовой стрелке (в сторону отставания векторов).

Трансформаторы, соединенные по схеме «звезда — звезда», имеют нулевую группу и обозначаются Y/Y-0 или Y/Yн-0. При этом векторы линейных напряжений UАВ и Uаb совпадают по фазе, т. е. угол между ними равен нулю (рис. 227, а). Трансформаторы, соединенные по схеме «звезда — треугольник» или «треугольник — звезда», имеют одиннадцатую группу и обозначаются Y/?-11 или ?/Y-11. В этом случае вектор Uab обмотки НН отстает от вектора UАB обмотки ВН на угол 330° (рис. 227,б).

Однофазные трансформаторы также разделяются на группы, но у них в зависимости от направления намотки и маркировки выводов напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе могут совпадать по фазе либо быть свинуты на 180°. В соответствии с этим они могут принадлежать к нулевой или шестой группе.

Трехфазные трансформаторы, также как и однофазные, бывают двухобмоточные и многообмоточные. На тяговых подстанциях иногда устанавливают трехобмоточные трансформаторы с двумя вторичными обмотками. Одна из них питает контактную сеть, а другая — электрические потребители близлежащих районов.

26.)Измерительные трансформаторы

Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для уменьшения первичных токов и напряжений до значений, наиболее удобных для подключения измерительных приборов, реле защиты, устройств автоматики. Применение измерительных трансформаторов обеспечивает безопасность работающих, так как цепи высшего и низшего напряжения разделены, а также позволяет унифицировать конструкцию приборов и реле.

Технические характеристики трансформаторов тока

Номинальный первичный и вторичный ток трансформаторов тока

Трансформаторы тока характеризуются номинальным первичным током Iном1 (стандартная шкала номинальных первичных токов содержит значения от 1 до 40000 А) и номинальным вторичным током Iном2, который принят равным 5 или 1 А. Отношение номинального первичного к номинальному вторичному току представляет собой коэффициент трансформации КТА= Iном1/ Iном2

Токовая погрешность трансформаторов тока

Т рансформаторы тока характеризуются токовой погрешностью ∆I=(I2K-I1)*100/I1 (в процентах) и угловой погрешностью (в минутах). В зависимости от токовой погрешности измерительные трансформаторы тока разделены на пять классов точности: 0,2; 0,5; 1; 3; 10. Наименование класса точности соответствует предельной токовой погрешности трансформатора тока при первичном токе, равном 1—1,2 номинального. Для лабораторных измерений предназначены трансформаторы тока класса точности 0,2, для присоединений счетчиков электроэнергии — трансформаторы тока класса 0,5, для присоединения щитовых измерительных приборов -классов 1 и 3.

Нагрузка трансформаторов тока

Нагрузка трансформатора тока — это полное сопротивление внешней цепи Z2, выраженное в омах. Сопротивления r2 и х2 представляют собой сопротивление приборов, проводов и контактов. Нагрузку трансформатора можно также характеризовать кажущейся мощностью S2 В*А. Под номинальной нагрузкой трансформатора тока Z2ном понимают нагрузку, при которой погрешности не выходят за пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности. Значение Z2ном дается в каталогах.

Электродинамическая стойкость трансформаторов тока

Электродинамическую стойкость трансформаторов тока характеризуют номинальным током динамической стойкости Iм.дин. или отношением kдин = Термическая стойкость определяется номинальным током термической стойкости Iт или отношением kт= Iт / I1ном и допустимым временем действия тока термической стойкости tт.

Конструкции трансформаторов тока

По конструкции различают трансформаторы тока катушечные, одновитковые (типа ТПОЛ), многовитковые с литой изоляцией (типа ТПЛ и ТЛМ). Трансформатор типа ТЛМ предназначен для КРУ и конструктивно совмещен с одним из штепсельных разъемов первичной цепи ячейки.

Для больших токов применяют трансформаторы типа ТШЛ и ТПШЛ, у которых роль первичной обмотки выполняет шина. Электродинамическая стойкость таких трансформаторов тока определяется стойкостью шины.

Для ОРУ выпускают трансформаторы типа ТФН в фарфоровом корпусе с бумажно-масляной изоляцией и каскадного типа ТРН. Для релейной защиты имеются специальные конструкции. На выводах масляных баковых выключателей и силовых трансформаторов напряжением 35 кВ и выше устанавливаются встроенные трансформаторы тока. Погрешность их при прочих равных условиях больше, чем у отдельно стоящих трансформаторов.

Технические характеристики измерительных трансформаторов напряжения

Номинальные первичное и вторичное напряжение измерительных трансформаторов напряжения

Трансформаторы напряжения характеризуются номинальными значениями первичного напряжения, вторичного напряжения (обычно 100 В или 100/ ), коэффициента трансформации К=U1ном/U2ном. В зависимости от погрешности различают следующие классы точности трансформаторов напряжения: 0,2;0,5; 1:3.

Нагрузка трансформаторов напряжения

Вторичная нагрузка трансформатора напряжения—это мощность внешней вторичной цепи. Под номинальной вторичной нагрузкой понимают наибольшую нагрузку, при которой погрешность не выходит за допустимые пределы, установленные для трансформаторов данного класса точности.

Конструкции трансформаторов напряжения

В установках напряжением до 18 кВ применяются трехфазные и однофазные трансформаторы, при более высоких напряжениях — только однофазные. При напряжениях до 20 кВ имеется большое число типов трансформаторов напряжения: сухие (НОС), масляные (НОМ, ЗНОМ. НТМИ, НТМК), с литой изоляцией (ЗНОЛ). Следует отличать однофазные двухобмоточные трансформаторы НОМ от однофазных трехобмоточных трансформаторов ЗНОМ. Трансформаторы типов ЗНОМ-15, -20 -24 и ЗНОЛ-06 устанавливаются в комплектных токопроводах мощных генераторов. В установках напряжением 110 кВ и выше применяют трансформаторы напряжения каскадного типа НКФ и емкостные делители напряжения НДЕ.

 

Схемы включения трансформаторов напряжения

В зависимости от назначения могут применяться разные схемы включения трансформаторов напряжения. Два однофазных трансформатора напряжения, соединенные в неполный треугольник, позволяют измерять два линейных напряжения. Целесообразна такая схема для подключения счетчиков и ваттметров. Для измерения линейных и фазных напряжений могут быть использованы три однофазных трансформатора (ЗНОМ, ЗНОЛ), соединенные по схеме «звезда — звезда», или трехфазный типа НТМИ. Так же соединяются в трехфазную группу однофазные трехобмоточные трансформаторы типа ЗНОМ и НКФ.

Присоединение расчетных счетчиков к трехфазным трансформаторам напряжения не рекомендуется, т.к. они имеют, обычно, несимметричную магнитную систему и увеличенную погрешность. Для этой цели желательно устанавливать группу из двух однофазных трансформаторов соединенных в неполный треугольник.

Трансформаторы напряжения выбирают по условиям Uуст ≤U1ном, S2≤ S2ном в намечаемом классе точности. За S2ном принимают мощность всех трех фаз однофазных трансформаторов напряжения, соединенных по схеме звезды, и удвоенную мощность однофазного трансформатора, включенного по, схеме неполного треугольника.

27.)Устройство машины постоянного тока

Устройство статора.

Машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной – статора и вращающейся – ротора, называемого в машинах постоянного тока якорем. Эскиз машины постоянного тока показан на рис. 1.1, а общий вид с разрезом — на рис.

1.2. Статор состоит из станины 1, главных полюсов 2, дополнительных полюсов 3, подшипниковых щитов 4 и щеточной траверсы со щетками 6.

Станина имеет кольцевую форму и изготовляется из стального литья или стального листового проката. Она составляет основу всей машины и, кроме того, выполняет функцию магнитопровода.

Главные полюсы служат для создания постоянного во времени и неподвижного в пространстве магнитного поля. С этой целью по обмотке полюсов пропускается постоянный ток, называемый током возбуждения (в машинах малой мощности в качестве полюсов могут использоваться постоянные магниты).

Дополнительные полюсы устанавливаются между главными и служат для улучшения условий коммутации. Подшипниковые  щиты закрывают  статор с торцов. В них впрессовываются подшипники и укрепляется щеточная траверса, которая с целью регулирования может поворачиваться. На щеточной траверсе закреплены пальцы, которые электрически изолированы от траверсы. На пальцах установлены щеткодержатели со щетками, изготовленными из графита или смеси графита с медью.

Устройство якоря.

Вращающаяся часть машин – якорь 9 (рис. 1.1, 1.2, а, б) состоит из сердечника 7, обмотки 8 и коллектора 5.

Сердечник  имеет цилиндрическую форму. Он набирается из колец или сегментов  листовой электротехнической стали, на внешней  поверхности  которых выштампованы пазы. В пазы сердечника укладываются секции из медного провода. Концы секций, которые выводятся на коллектор и припаиваются к его пластинам, образуют замкнутую обмотку якоря. Коллектор (рис. 1.3) набран из медных пластин клинообразной формы, изолированных друг от друга, и корпуса 3миканитовыми прокладками 2, образующими в сборе цилиндр, который крепится на валу якоря.

28.)Принцип действия машины постоянного тока

Принцип действия машин постоянного тока.

Принцип действия генератора. Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 и e2,направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются,  результирующая  ЭДС е = е1 – е2.

Е сли внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет  ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Рис.1.5

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f,момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Противодействующий момент и противо-ЭДС. При работе машины в режиме генератора по замкнутой внешней цепи и витку обмотки якоря протекает ток, направление которого совпадает с направлением ЭДС (рис. 1.4,6), взаимодействие тока с магнитным полем полюсов  создает моментМ, направленный в рассматриваемом случае против часовой стрелки. Так как приложенный к витку вращающий момент приводного двигателя Мвр направлен по часовой стрелке, то возникающий при работе генератора момент называется противодействующим моментом Мnp. По существу возникновение Мпр — это реакция машины на воздействие внешнего момента Мвр, а физическая природа противодействующего момента та же, что и вращающего момента у двигателя. В установившемся режиме работы генератора между Мвр и Мпр устанавливается равновесие  и Мвр=Мпр.

При работе машины в режиме двигателя проводники якоря пересекают магнитное поле и в них наводится ЭДС (рис. 1.5,б). Ее направление определяется по правилу правой руки. В рассматриваемом случае она направлена против тока и, следовательно, навстречу приложенному напряжению сети U и поэтому называется противо-ЭДС Enp. Физическая природа противо-ЭДС та же, что и ЭДС генератора. В установившемся режиме работы двигателя между Enp и Uустанавливается равновесие и можно считать, что Enp ≈ U .

Таким образом, при работе машины постоянного тока в любом режиме во вращающихся проводниках наводится ЭДС Е и возникает момент М, но роль их в разных режимах различная.

29.)Классификация и механические характеристики двигателя постоянного тока

По способу создания магнитного потока различают электродвигатели с постоянными магнитами и электромагнитами. Электродвигатели с постоянными магнитами в силу относительно слабого магнитного потока изготовляют только небольшой мощности. Их используют в системах управления в качестве серводвигателей. Для привода рабочих машин применяются двигатели с электромагнитами, которые по способу включения обмоток, называемых обмотками возбуждения, подразделяются на двигатели с независимым (рис. 2.1, а), параллельным (рис. 2.1, б), последовательным (рис. 2.1, в) и смешанным (рис. 2.1, г) возбуждением. Различие между двигателями с независимым и параллельным возбуждением заключается в том, что у первого обмотка возбуждения LM1 и якорь М питаются от различных источников постоянного тока, а у второго LM2 и М — от одного. Напряжение возбуждения у двигателей с независимым возбуждением может быть равным напряжению приложенному к якорю, и отличным от него. У крупных двигателей в большинстве случаев напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю. У двигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения LM3 включена последовательно с якорем М. Напряжение возбуждения меньше напряжения, приложенного к якорю. Двигатели с параллельным и последовательным возбуждением можно рассматривать как частный случай двигателя со смешанным возбуждением, имеющего 2 обмотки возбуждения LM2 и LM3. В цепь якоря включают пусковой реостат R1, а в цепь возбуждения регулирующий—R2. Механической характеристикой электродвигателя называется зависимость частоты вращения от вращающего момента на его валу при неизменной схеме включения и постоянных параметрах питающей сети и элементов цепей якоря и возбуждения. Характеристика называется естественной, если напряжение сети равно нормальному, а сопротивления реостатов R1 и R2 равны нулю (R1 = 0; R2 = 0), в противном случае характеристика называется искусственной. Аналитическое выражение механической характеристики двигателя может быть получено из соотношений, приведенных в курсе общей электротехники:

Для этого определим ток якоря

и, подставив его в формулу для частоты вращения якоря, получим уравнение механической характеристики двигателя:

При вращающем моменте М = 0

т. е. получим частоту вращения идеального холостого хода nx. У двигателей с независимым и параллельным возбуждением последовательная обмотка отсутствует (см. рис. 2.1, а и б),

поэтому магнитный поток, если пренебречь реакцией якоря не зависит от тока якоря и при изменении вращающего момента двигателя остается постоянным: Ф = const. Следовательно, для этих двигателей уравнение механической характеристики может быть записано так:

где b — угловой коэффициент характеристики;

Значение углового коэффициента b можно получить другим путем. При вращающем моменте заторможенного двигателя М = Мп (М п — пусковой момент двигателя) частота вращения n = 0. Тогда 0 = nx — bМп и угловой коэффициент b = nx/Мп. В этом случае механическая характеристика будет

Как видно из формул (2.1) и (2.2), механическая характеристика двигателей с независимым и параллельным возбуждением представляет собой прямую линию с угловым коэффициентом b (рис. 2.2, кривая 1), где b = tgβ.

У двигателя с последовательным возбуждением обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря, поэтому его магнитный поток является функцией тока якоря и механическая характеристика имеет вид гиперболы (кривая 2). При идеальном холостом ходе частота вращения неограниченно увеличивается. У реальных двигателей при номинальном режиме магнитная система близка к насыщению. Это вносит определенные искажения в форму механической характеристики, которая при перегрузках двигателя приближается к прямой линии,поскольку при насыщении магнитный поток становится практически постоянным и не зависит от момента. Механическая характеристика двигателя со смешанным возбуждением (кривая 3) занимает промежуточное положение между механическими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением. У него, как и у двигателей с параллельным и независимым возбуждением, частота вращения идеального холостого хода имеет определенное значение

где Ф1 — магнитный поток, создаваемый параллельной обмоткой возбуждения. Его механическая характеристика криволинейна вследствие изменения магнитного потока, вызванного влиянием последовательной обмотки возбуждения. Анализируя механические характеристики электродвигателей постоянного тока с различными способами включения обмоток возбуждения, можно прийти к выводу, что с изменением вращающего момента на валу электродвигателя его частота вращения изменяется незначительно у двигателя с параллельным возбуждением и в большей степени у двигателя с последовательным возбуждением. Мощность, развиваемая электродвигателем,

где w — угловая скорость двигателя. Следовательно, мощность, потребляемая из сети, у двигателя с последовательным возбуждением изменяется меньше. Поэтому механическую характеристику двигателя с параллельным возбуждением называют жесткой, а характеристику двигателя с последовательным возбуждением — мягкой. Характеристика двигателя со смешанным возбуждением обладает меньшей жесткостью, чем характеристика двигателя с параллельным возбуждением, но большей, чем характеристика двигателя с последовательным возбуждением.

30.)Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока изменением напряжения на обмотке якоря

Регулирование скорости вращения электрических двигателей постоянного тока можно производить путем изменения напряжения, подводимого к двигателю, или путем изменения величины магнитного потока двигателя.

Изменение величины напряжения, подводимого к якорю двигателя, можно производить путем включения последовательно с якорем двигателя переменного регулировочного сопротивления или путем последовательного и параллельного включения обмоток якорей нескольких двигателей. Наиболее часто для регулирования скорости применяют способ изменения величины магнитного потока двигателя. Для этой цели в цепь обмотки возбуждения двигателя включают реостат, дающий возможность производить широкую и плавную регулировку скорости двигателя.

Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей производится одним из следующих способов.

1. Изменение числа полюсов электродвигателя. Для возможности изменения числа пар полюсов двигателя статор его выполняют либо с двумя самостоятельными обмотками, либо с одной обмоткой, которую можно пересоединять на различные числа полюсов. Пересоединение обмоток статора производится при помощи специального аппарата – контроллера. При этом способе регулировка скорости вращения двигателя совершается скачками. Регулировку скорости вращения двигателя путем изменения числа полюсов можно производить только у асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Ротор с короткозамкну-той обмоткой может работать с любым числом полюсов статора. Наоборот, ротор двигателя с фазной обмоткой может нормально работать лишь при определенном числе полюсов статора. Иначе обмотку ротора также пришлось бы переключать, что внесло бы большие усложнения в схему двигателя.

2. Изменение частоты переменного тока. При этом способе частоту переменного тока, подводимого к обмотке статора двигателя, изменяют при помощи специального генератора. Регулировку изменения частоты тока выгодно производить, когда имеется большая группа двигателей, требующих совместного плавного регулирования скорости вращения.

3. Введение сопротивления в цепь ротора. Во время работы двигателя в цепь обмотки ротора вводят сопротивление регулировочного реостата. Такой способ применим только для двигателей с фазным ротором.

4. Управление с помощью дросселей насыщения. Однофазный дроссель насыщения имеет две обмотки: одна включена в цепь переменного тока, другая, называемая управляющей или подмагничивающей обмоткой, подключается к источнику постоянного напряжения (выпрямителю). С увеличением тока в управляющей обмотке магнитная система дросселя насыщается и индуктивное сопротивление обмотки переменного тока уменьшается. Включая дроссели в каждую фазу асинхронного двигателя и меняя ток управляющей обмотки, можно менять сопротивление в цепи статора двигателя, а следовательно, и скорость вращения самого двигателя.

Для пуска в ход двигателей постоянного тока большой мощности, а также для широкой регулировки скорости вращения двигателей применяют схему «генератор – двигатель», сокращенно Г – Д. Система Г – Д дает возможность осуществить плавный пуск и широкую регулировку скорости вращения двигателя.

32.)Построение статистических характеристик двигателя постоянного тока. Режимы работы

Основная схема включения двигателя постоянного тока (ДПТ) независимого возбуждения приведена на рис. 2.6, а. На рис. 2.6 приняты обозначения: I и IВ – токи якоря и обмотки возбуждения ОВ; Е –ЭДС якоря;  и М–скорость и момент двигателя; Rв  и Rд – соответственно добавочные резисторы в цепях возбуждения и якоря (они могут отсутствовать);   – полное сопротивление якорной цепи, состоящее из сопротивлений обмоток якоря rо,я, дополнительных полюсов rд,п, компенсационной rк,о и щеточного контактаrщ. На схеме для общности показаны два источника питания цепи якоря и возбуждения, хотя во многих случаях используется только один источник.

Рис.2.6 Схема включения (а) и характеристики ДПТ НВ (б)

Вывод уравнений для характеристик ДПТ проведем при следующих допущениях: реакция якоря не учитывается; момент на валу двигателя равен электромагнитному моменту. В основе вывода лежат уравнение электрического равновесия цепи якоря и выражения ЭДС и момента ДПТ, которые соответственно записываются в виде  (2.1)  (2.2) М=kФФ. (2.3) где   – полное сопротивление цепи якоря, Ом; Ф – магнитный поток ДПТ, Вб;  – угловая скорость ротора ДПТ (в дальнейшем просто скорость), рад/с; k=рN/(2а) – конструктивный коэффициент ДПТ; р – число пар полюсов; N – число активных проводников обмотки якоря; а – число параллельных ветвей обмотки якоря. Подставляя (2.2) в (2.1), получаем формулу для электромеханической характеристики ДПТ  (2.4) Формула для механической характеристики ДПТ независимого возбуждения получается из (2.4) заменой в нем тока на момент по выражению (2.3)  (2.5) В соответствии с (2.4) и (2.5) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ представляют собой линейные зависимости скорости от тока и момента. Иногда уравнения (2.4) и (2.5) представляются в следующей форме записи: , (2.6) где   – скорость идеального холостого хода двигателя, ; (2.6, а)  – перепад скорости относительно скорости идеального холостого хода, . На рис. 2.6, б показаны электромеханическая и механическая характеристики ДПТ при разных полярностях питающего якорь напряжения U, причем поскольку kФ=const, то М~I и характеристики представлены совмещенными линиями. На том же рисунке показана электромеханическая и механическая характеристики двигателя при U=0. Уравнения этих характеристик получаются из (2.4) и (2.5) при U=0 ; (2.7)  (2.8) Схема, в которой ДПТ имеет такие характеристики, показана на рис. 2.7. Она носит название схемы динамического торможения или схемы генератора, включенного независимо от сети. Полученные выражения (2.4) и (2.5) позволяют назвать основные способы получения искусственных характеристик ДПТ независимого возбуждения в целях регулирования координат электропривода: изменение сопротивления добавочного резистора в цепи якоря Rд, магнитного потока Ф и напряжения U,подводимого к цепи якоря. В дальнейшем эти способы, а также основанные на них другие способы подробно рассматриваются Энергетический режим работы двигателя зависит от механических М,  и электрических Е, I координат двигателя, определяющих его механическую   и электромагнитную   мощности.

Рис.2.7 Схема  динамического торможения ДПТ  независимого возбуждения

В табл. 2.1 приведены их характерные сочетания для основных двух режимов – двигательного и генераторного и двух граничных режимов – холостого хода и короткого замыкания. Рассматривая приведенную таблицу можно отметить, что для двигательного режима характерно одинаковое направление скорости и момента и противоположное направление ЭДС и тока, а для генераторного режима, наоборот, направление ЭДС и тока совпадают, а скорости и момента – нет. Для режимов холостого хода характерно равенство нулю тока и момента, а для режима короткого замыкания – равенство нулю ЭДС и скорости двигателя. Основываясь на данных табл. 2.1, рассмотрим энергетический режим работы ДПТ на различных участках его характеристик рис. 2.6, б при положительной полярности U. 1. Режим холостого хода имеет место в точке А, где I=0, М=0, =0 и E=U=kФ0 . Двигатель не получает энергии ни из электрической сети (за исключением электроэнергии на возбуждение), ни с вала. Схема для этого режима показана на рис. 2.8, а. Таблица 2.1 

Режим	Координаты
	механические	электрические
Двигательный	М>0; >0 М<0; <0	Е<0; I>0 E>0; I<0
Генераторный	М>0; <0 М<0; >0	E>0; I>0 Е<0; I<0
Холостой ход	М=0; =0	E=U; I=0
Короткое замыкание	M=Mк,з;=0	E=0; I=Iк,з

2. Двигательный режим имеет место на участке I при 0<<0, т.е. в первом квадранте, где  и М совпадают по направлению. В этом режиме |Е| <|U|, ток I=(U–E)/R совпадает по направлению с U и не совпадает с ЭДС, электрическая энергия ЭЭ (рис. 2.8, б) поступает из сети, а механическая энергия МЭ отдается с вала ДПТ.

Рис.2.8. Энергетические режимы ДПТ независимого возбуждения: а – холостой ход; б – двигательный; в – генераторный параллельно с сетью; г – короткое замыкание; д – генераторный последовательно с сетью; е – генераторный независимо от сети

3. Генераторный режим работы ДПТ параллельно с сетью, или режим рекуперативного торможения, имеет место на участке II. На участке II >0, поэтому ЭДС становится больше напряжения сети, ток и момент изменяют свое направление на противоположное. Двигатель получает механическую энергию от рабочей машины и отдает ее (рекуперирует) в виде электроэнергии в сеть (рис. 2.8, в). 4. Режим короткого замыкания наступает при =0, E=0. В этом режиме согласно (3.1) I= Iк,з =U/R, электрическая энергия ЭЭ (рис. 2.8, г), поступая из сети, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как =0. 5. Режим генератора последовательно с сетью, или режим торможения противовключением, наступает при <0 (участок III характеристики). За счет изменения направления скорости изменяется направление ЭДС, которая теперь совпадает по направлению с напряжением сети. Двигатель оказывается включенным последовательно с сетью, ток в якоре совпадает по направлению с напряжением и ЭДС и определяется их суммарным действием, т. е.  . В результате этого электрическая энергия поступает из сети (рис. 2.8, д) и вырабатывается самим ДПТ за счет поступающей на его вал механической энергии. Электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. По этой причине рассматриваемый режим в тепловом отношении является для ДПТ наиболее трудным, так как связано необходимостью рассеивания в виде тепла значительного количества энергии. 6. Режим генератора независимо от сети, или режим динамического торможения, имеет место при отключении якорной цепи ДПТ от сети и закорачивании ее на добавочный резистор или накоротко (отметим, что закорачивание накоротко якоря электрической машины не означает для нее режима короткого замыкания). Ток в якоре протекает под действием ЭДС и совпадает с ней по направлению, электрическая энергия ЭЭ (см. рис. 2.8, е), вырабатываемая за счет механической энергии, поступающей с вала, рассеивается в виде тепла в резисторах якорной цепи. 2.4. Схема включения, статические характеристики и режимы работы двигателя постоянного тока последовательного возбуждения Схема включения ДПТ последовательного возбуждения приведена на рис. 2.9, а. На этой схеме приняты те же обозначения, что и на схеме включения ДПТ независимого возбуждения (см. рис. 2.6, a).

Рис. 2.9. Схема включения (а) и кривая намагничивания (б) ДПТ ПВ

Основной особенностью ДПТ последовательного возбуждения является включение его обмотки возбуждения OB последовательно с обмоткой якоря, вследствие чего ток якоря одновременно является и током возбуждения. При получении выражений для статических характеристик ДПТ последовательного возбуждения используем те же допущения, что и для ДПТ независимого возбуждения, и исходные формулы (2.1)–(2.3), в которых принято R=Rя+Rо,в+Rд. Согласно (2.1)–(2.3) электромеханическая и механическая характеристики ДПТ последовательного возбуждения выражаются формулами  (2.9)  (2.10) Магнитный поток Ф и ток I якоря связаны между собой кривой намагничивания, которая показана на рис. 2.9, б сплошной линией. В общем случае эта кривая не имеет точного аналитического выражения, поэтому нельзя получить и точных выражений для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. Тем не менее можно представить эту кривую с помощью какого-либо приближенного аналитического выражения, что позволит проанализировать вид характеристик ДПТ последовательного возбуждения. В простейшем случае можно представить кривую намагничивания прямой линией, как это показано штриховой линией на рис. 2.9, б. Такая аппроксимация означает пренебрежение насыщением магнитной системы ДПТ последовательного возбуждения и позволяет выразить зависимость потока от тока следующим образом:  (2.11) где ? = tg? (см рис. 2.9, б). При принятой аппроксимации момент ДПТ является квадратичной функцией тока  (2.12) Подстановка (2.11) в (2.9) приводит к следующему выражению для электромеханической характеристики ДПТ последовательного возбуждения:  (2.13) Если теперь в (2.13) с помощью выражения (2.12) выразить ток через момент, то получится следующее выражение для механической характеристики;  (2.14) Для графического изображения характеристик ДПТ последовательного возбуждения отметим следующие положения, вытекающие из анализа выражений (2.13) и (2.14): 1. При I?0, M?0 ??, т. е. ось скорости является вертикальной асимптотой для характеристик ДПТ последовательного возбуждения. 2. При I??, М?? ?–R/(k?), т. е. прямая с ординатой =–R/(k?) является горизонтальной асимптотой характеристик ДПТ. 3. Зависимости (I) и (М) имеют гиперболический характер. Выполненный анализ позволяет представить характеристики ДПТ в виде кривых, показанных на рис. 2.10. Рассмотрим с их помощью энергетические режимы работы ДПТ последовательного возбуждения Особенностью такого ДПТ является отсутствие у него генераторного режима работы параллельно с сетью (режима рекуперативного торможения). Характеристики ДПТ не пересекают ось скорости и не переходят во второй квадрант. Для ДПТ последовательного возбуждения не может быть однозначно определена скорость идеального холостого хода 0, так как теоретически при I?0, М?0 Ф?0 и 0??. Отметим, что из-за наличия потока остаточного намагничивания Фост практически такая скорость может существовать. В этом случае она определяется выражением  (2.15) Остальные режимы работы ДПТ последовательного возбуждения аналогичны режимам работы ДПТ независимого возбуждения, а именно: двигательный режим, имеющий место при 0<  Регулирование координат ДПТ последовательного возбуждения может осуществляться теми же способами, что и ДПТ независимого возбуждения, – путем изменения сопротивления добавочного резистора Rд в цепи якоря, магнитного потока Ф, подводимого к ДПТ напряжения U. Кроме этих основных способов, практическое распространение получили импульсные способы, а также регулирование в схеме с шунтированием якоря. Полученные выражения (2.13) и (2.14) дают лишь общее представление о характеристиках ДПТ последовательного возбуждения и не могут быть использованы для инженерных расчетов. Причина этого заключается в принятой линейной аппроксимации кривой намагничивания, в то время как выпускаемые промышленностью ДПТ последовательного возбуждения работают на колене кривой намагничивания или даже в области насыщения магнитной системы.

Рис.2.10. Электромеханическая (а) и механическая (б) характеристики ДПТ последовательного возбуждения

Рис. 2.11. Универсальные характеристики ДПТ ПВ

Для получения реальных естественных характеристик ДПТ последовательного возбуждения в практических расчетах используются так называемые универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения. Эти характеристики представляют собой зависимости относительных значений скорости ДПТ *=/ном и момента M=M/Mном от относительного тока I*=I/Iном. Универсальные характеристики ДПТ последовательного возбуждения приведены на рис. 2.11.

32.)Регулировка скорости вращения двигателя постоянного тока изменением магнитного тока

Из уравнения электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения следует, что возможны три способа регулирования его угловой скорости:

1) регулирование за счет изменения величины сопротивления реостата в цепи якоря,

2) регулирование за счет изменения потока возбуждения двигателя Ф,

3) регулирование за счет изменения подводимого к обмотке якоря двигателя напряжения U. Ток в цепи якоря Iя и момент М, развиваемый двигателем, зависят только от величины нагрузки на его валу.

Рассмотрим первый способ регулирования скорости двигателя постоянного тока изменением сопротивления в цепи якоря. Схема включения двигателя для этого случая представлена на рис. 1, а электромеханические и механические характеристики — на рис. 2, а. 

Рис. 1. Схема включения двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Рис. 2. Механические характеристики двигателя постоянного тока при различных сопротивлениях цепи якоря (а) и напряжениях (б)

Изменяя сопротивление реостата в цепи якоря можно получить при номинальной нагрузке различные угловые скорости электродвигателя на искусственных характеристиках — ω1, ω2, ω3.

Проведем анализ данного способа регулирования угловой скорости двигателей постоянного тока с помощью основных технико-экономических показателей. Так как при данном способе регулирования изменяется жесткость характеристик в широких пределах, то при скоростях менее половины номинальной стабильность работы двигателя резко ухудшается. По этой причине диапазон регулирования скорости ограничен (D= 2 -З).

Скорость при данном способе можно регулировать в сторону уменьшения от основной, о чем свидетельствуют электромеханические и механические характеристики. Высокую плавность регулирования трудно обеспечить, так как потребовалось бы значительное количество ступеней регулирования и соответственно большое число контакторов. Полное использование двигателя по току (нагреву) в этом случае достигается при регулировании с постоянным моментом нагрузки.

Недостатком рассматриваемого способа является наличие значительных потерь мощности при регулировании, которые пропорциональны относительному изменению угловой скорости. Достоинством рассмотренного способа регулирования угловой скорости являются простота и надежность схемы управления.

Учитывая большие потери в реостате при малых скоростях, данный способ регулирования скорости применяется для приводов с кратковременным и повторно-кратковременным режимами работы.

При втором способе регулирование угловой скорости двигателей постоянного тока независимого возбуждения осуществляется изменением величины магнитного потока за счет введения в цепь обмотки возбуждения дополнительного реостата. При ослаблении потока угловая скорость двигателя как при нагрузке, так и при холостом ходе возрастает, а при усилении потока — уменьшается. Практически возможно изменение скорости только в сторону увеличения ввиду насыщения двигателя.

При увеличении скорости ослаблением потока допустимый момент двигателя постоянного тока изменяется по закону гиперболы, а мощность остается постоянной. Диапазон регулирования скорости для данного способа D = 2 - 4.

Механические характеристики для различных значений потока двигателя приведены на рис. 2, а и 2, б, из которых видно, что характеристики в пределах номинального тока имеют высокую степень жесткости.

Обмотки возбуждения двигателей постоянного тока независимого возбуждения обладают значительной индуктивностью. Поэтому при ступенчатом изменении сопротивления реостата в цепи обмотки возбуждения ток, а следовательно, и поток будут изменяться по экспоненциальному закону. В связи с этим регулирование угловой скорости будет осуществляться плавно.

Существенными преимуществами данного способа регулирования скорости являются его простота и высокая экономичность.

Данный способ регулирования используют в приводах в качестве вспомогательного, обеспечивающего повышение скорости при холостом ходе механизма.

Третий способ регулирования скорости заключается в изменении напряжения, подводимого к обмотке якоря двигателя. Угловая скорость двигателя постоянного тока независимо от нагрузки изменяется прямо пропорционально напряжению, подводимому к якорю. Поскольку все регулировочные характеристики являются жесткими, а степень их жесткости остается для всех характеристик неизменной, работа двигателя является стабильной на всех угловых скоростях и, следовательно, обеспечивается широкий диапазон регулирования скорости независимо от нагрузки. Этот диапазон равен 10 и может быть расширен за счет специальных схем управления.

При данном способе угловую скорость можно уменьшать и увеличивать относительно основной. Повышение скорости ограничено возможностями источника энергии с регулируемым напряжением и Uном двигателя.

Если источник энергии обеспечивает возможность непрерывного изменения подводимого к двигателю напряжения, то регулирование скорости двигателя будет плавным.

Данный способ регулирования является экономичным, так-так регулирование угловой скорости двигателя постоянного тока независимого возбуждения осуществляется без дополнительных потерь мощности в силовой цепи якоря. По всем перечисленным выше показателям данный способ регулирования по сравнению с первым и вторым наилучший.

33.)Регулирование скорости вращения ДПТ изменением сопротивления якорной цепи

Из уравнения скоростной характеристики электродвигателей постоянного тока следует, что их скорость можно регулировать: а) изменением сопротивления якорной цепи R при помощи реостата в цепи якоря; б) изменением магнитного потока возбуждения Ф (при помощи реостата в цепи возбуждения); в) изменением величины напряжения U, подводимого к двигателю (за счет применения специальных схем включения).

1. Электродвигатели с параллельным возбуждением

Регулирование скорости вращения изменением сопротивления в цепи якоря. Как видно из механических характеристик, вводя дополнительное сопротивление в цепь якоря, можно регулировать скорость вниз от номинальной скорости двигателя, представленной естественной характеристикой. Жесткость характеристик уменьшается по мере увеличения добавочного сопротивления. Диапазон регулирования скорости не превышает 2 : 1, т. е. предел регулирования равен 50% вниз от основной скорости.

Настоящий способ регулирования скорости может быть легко осуществлен, однако он имеет ряд существенных недостатков, ограничивающих его применение: значительные потери энергии в регулировочном реостате; диапазон регулирования скорости непостоянен и зависит от нагрузки; невозможность регулирования при малых нагрузках.

В отличие от пускового реостата регулировочный реостат должен быть рассчитан на длительную работу при полном токе нагрузки, поскольку он оказывается включенным не только кратковременно во время пуска, но и во время работы двигателя на заданной скорости.

Регулирование скорости вращения изменением тока возбуждения (величины магнитного потока). Из рассмотрения механических характеристик видно, что, вводя дополнительное сопротивление в цепь возбуждения, можно регулировать скорость вращения двигателя вверх от номинальной его скорости. Жесткость механических искусственных характеристик при этом мало изменяется. Диапазон регулирования скорости для регулируемых таким методом двигателей составляет от 1,5 : 1 до 4 : 1. Обычно в каталогах указывается величина максимально допустимого числа оборотов двигателя. Данный способ регулирования скорости является одним из наиболее простых и экономичных, что определяет его широкое применение.

2. Электродвигатели с последовательным возбуждением

Регулирование скорости вращения изменением сопротивления в цепи якоря. Как видно из механической характеристики двигателя, вводя дополнительное сопротивление в цепь якоря, можно регулировать скорость вниз от номинальной скорости двигателя. Жесткость характеристики уменьшается по мере увеличения дополнительного сопротивления. Диапазон регулирования скорости не превышает 2:1, 3:1 и зависит от нагрузки.

Регулирование скорости рассмотренным методом связано с большими потерями энергии в регулировочном реостате, но несмотря на это, данный способ находит применение в крановых установках и электротележках ввиду своей простоты. Указанные механизмы работают со значительными перерывами, что уменьшает потерю энергии на нагрев сопротивлений реостатов.

Регулирование скорости вращения изменением магнитного потока возбуждения. Для двигателей с последовательным возбуждением применяются два основных способа регулирования скорости изменением магнитного потока Ф, а именно, путем шунтирования либо обмотки возбуждения, либо обмотки якоря.

При шунтировании обмотки возбуждения реостатом Яш (рис. 16) часть тока, проходящего по якорю двигателя, ответвляется в реостат, вследствие чего величина тока в обмотке возбуждения, а следовательно, и магнитного потока, создаваемого ею, уменьшается и скорость двигателя возрастает. При уменьшении величины сопротивления шунтирующего реостата искусственные скоростные характеристики на рис. 16 располагаются выше естественной характеристики. Таким образом, регулирование скорости этим методом происходит в сторону ее повышения по отношению к номинальной скорости. Предел регулирования скорости вращения двигателя не поевышает 2 : 1 при условии постоянства мощности. При постоянном нагрузочном моменте диапазон регулирования еще ниже.

Рис. 16. Схема регулирования скорости электродвигателя последовательного возбуждения шунтированием обмотки возбуждения а —схема; б — скоростные характеристики

При уменьшении величины сопротивления шунтирующего реостата увеличивается ток, протекающий по обмотке возбуждения, вследствие чего искусственные скоростные характеристики (рис. 17,6) двигателя рас полагаются ниже естественной характеристики. При переходе скорости вращения за пределы отрицательных моментов двигатель не отдает энергии в сеть, но работает генератором на шунтирующее сопротивление, так как э. д. с. двигателя не может быть больше приложенного напряжения сети. Таким образом, регулирование скорости этим методом происходит в сторону понижения по отношению к номинальной скорости. Возможен диапазон регулирования скорости (4—5) : 1. Регулирование скорости шунтированием обмотки якоря применяется в тех случаях, когда необходимо получить характеристики на низких скоростях, более жесткие, чем при реостатном регулировании. Этот метод регулирования скорости сопровождается значительной потерей энергии в шунтирующем реостате. Он находит применение в электроприводах, требующих получения низких скоростей на короткое время.

Рис. 17. Схема регулирования скорости электродвигателя последовательного возбуждения шунтированием обмотки якоря а — схема; б — скоростные характеристики

3. Специальные схемы включения электродвигателей постоянного тока (система генератор — двигатель, ионный привод, привод с магнитным усилителем)

Для ряда производственных механизмов диапазон регулирования скорости рассмотренными выше способами оказывается недостаточным. Более широкое регулирование скорости возможно за счет изменения величины подводимого к двигателю напряжения. При этом он должен иметь независимое возбуждение. Регулирование скоростей в этих условиях возможно в широких пределах вверх и вниз от естественной характеристики. Понижение подводимого к двигателю напряжения вызывает смещение механических характеристик к оси абсцисс, повышение —смещение их в обратном направлении.

Регулирование скорости вращения путем изменения напряжения осуществляется при включении электродвигателей по особым схемам с питанием их либо от специального генератора с регулируемым напряжением, либо от ионных преобразователей. Такие способы регулирования скорости отличаются высокой экономичностью, большой плавностью регулирования и возможностью использовать генераторное торможение с отдачей энергии в сеть. Основной его недостаток заключается в необходимости иметь дополнительное электрооборудование (генераторы, сетевой двигатель и др.), позволяющее изменять величину подводимого к двигателю напряжения.

Принципиальная схема системы Г—Д приведена на рис. 18. Основными элементами оборудования являются: ПД— асинхронный или синхронный приводной двигатель, вращающий генератор Г и возбудитель В; Д — двигатель исполнительного механизма.

Рис. 18. Принципиальная схема привода постоянного тока по системе генератор — двигатель (Г — Д)

Механические характеристики электропривода по системе Г—Д представлены на рис. 19. Характеристики, полученные при различных токах возбуждения генератора путем изменения сопротивления реостата возбуждения Rr , расположены в нижней части рисунка. Характеристики при неизменной величине э. д. с. генератора и различных потоках возбуждения двигателя, получаемые воздействием на реостат возбуждения двигателя RB. д, расположены в верхней части рисунка. Эти характеристики не Параллельны между собой, поскольку перепад скорости вращения, обратно пропорциональный потоку возбуждения, будет для одного и того же момента различным при разных токах возбуждения двигателя.

Рис. 19. Механические характеристики электропривода постоянного тока по системе генератор — двигатель

Перед пуском в ход двигатель исполнительного механизма в системе Г—Д (см. рис. 18) должен иметь полное возбуждение [(RB. д=0), а группа «приводной двигатель—генератор» должна находиться во вращении со снятым с генератора возбуждением. Далее, путем постепенного повышения напряжения генератора (уменьшая сопротивления его реостата возбуждения Rг ) двигатель исполнительного механизма плавно доводят до номинальной скорости.

В зависимости от требуемого направления вращения двигателя пуск осуществляется замыканием контакторов KB или КН (с помощью специальной аппаратуры).

Применяемый в системе Г—Д метод пуска весьма экономичен, так как в главной цепи якоря машины отсутствуют пусковые сопротивления. Поскольку управление пуском осуществляется в цепи возбуждения генератора, обладающей сравнительно малой мощностью (2— 6% номинальной мощности генератора), применяемая аппаратура управления имеет малые габариты, вес и стоимость.

Для того чтобы вызвать тормозной режим двигателя в системе Г—Д с последующей его остановкой, достаточно разомкнуть контакты контакторов KB и КН. Цепь возбуждения генератора будет отключена от питающей сети, однако ток возбуждения генератора не исчезнет мгновенно ввиду наличия разрядного сопротивления Rp, шунтирующего обмотку возбуждения генератора. В обмотке возбуждения генератора будет наводиться э. д. с. самоиндукции и тем самым поддерживаться ток в цепи, замкнутой на разрядное сопротивление.

Так как поток возбуждения двигателя исполнительного механизма остается неизменным, то его э. д. с. будет больше, чем уменьшающаяся э. д. с. генератора.

В результате этого двигатель начинает работать в режиме генератора за счет кинетической энергии вращающихся масс, а генератор — в режиме двигателя. Поскольку поток возбуждения генератора непрерывно уменьшается, его скорость, а следовательно, и скорость вращения приводного двигателя ПД будет возрастать. Когда она превысит синхронную скорость двигателя ПД, последний начнет работать в генераторном режиме с отдачей электроэнергии в сеть. Отдача электроэнергии в сеть продолжается вплоть до полной остановки двигателя.

Если торможение механизма по условиям производственного процесса производится часто, то данный метод торможения представляет значительную экономическую выгоду.

Рассматриваемая система прйвоДа позволяет иметь широкий диапазон регулирования до 100 : 1 с плавным изменением скорости, получить специальные, так называемые экскаваторные механические характеристики двигателей механизмов, работающих на упор, например механизм напора мощных экскаваторов.

В современных электроприводах, выполненных по системе Г—Д, наибольшее распространение в качестве возбудителей генераторов получили электромашинные усилители с поперечным полем. Применяются также магнитные и электронные усилители.

Электромашинный усилитель дает возможность управлять мощными установками посредством аппаратов и машин малой мощности. Эти же свойства усилителя за счет введения обратных связей по току, напряжению или скорости позволяют в некоторых приводах поднять диапазон регулирования скорости до 200 : 1.

Ниже рассматривается принцип действия электромашинного усилителя (ЭМУ) с поперечным полем (рис. 20). Электромашинный усилитель приводится в действие асинхронным двигателем, который монтируется в одном корпусе с усилителем. Первая пара щеток ЭМУ аа замыкается накоротко, ко второй паре 66 подсоединяется внешняя нагрузка, обычно обмотка возбуждения генератора.

Конструктивные особенности ЭМУ позволяют в том же пространстве, где расположена обмотка ОУ, разместить еще несколько обмоток управления без значительного увеличения габаритов. С помощью дополнительных обмоток управления обычно осуществляются обратные связи.

Величина коэффициента усиления по мощности электромашинных усилителей с попеоечным полем составляет 4000— 10000.

Диапазон регулирования скорости двигателя в рассмотренной схеме без обратной связи равен 1 : 7, а с обратной связью для той же системы он составляет 1 : 33.

В случае необходимости регулирования скорости оператор перемещает скользящий контакт реостата Ra. у в цепи обмотки управления ЭМУ. Применяя ЭМУ с обратными связями, можно получать жесткие механические характеристики.

Недостатки, отмечавшиеся для привода по системе Д, в значительной мере устраняются при питании приводных двигателей постоянного тока от ионных и полупроводниковых преобразователей. Для приводов небольшой мощности используются тиратроны, а для приводов большой мощности — мощные управляемые ртутные вентили, а также полупроводниковые вентили — тиристоры.

Рис. 21. Схема электропривода по системе генератор — двигатель с электромашинным усилителем в качестве возбудителя

Систему, состоящую из двигателя постоянного тока и питающего его ионного преобразователя, называют ионным приводом. Ионный преобразователь в такой системе выполняет не только функции выпрямления переменного тока, но и функции управления двигателем, т. е. пуск, регулирование скорости, торможение и т. п. Достигается это изменением величины напряжения на стороне выпрямленного тока при помощи сеточного управления, регулирующего момент зажигания дуги в вентилях.

Принцип сеточного регулирования основан на том. что при наличии на сетке отрицательного (запирающего) напряжения дуга на главных анодах не зажигается и ток от анода к катоду не проходит.

Принципиальная схема ионного привода с тиратронами представлена на рис. 22. Двигатель постоянного тока Д получает питание через три тиратрона, включенных во вторичную цепь трансформатора Тр. Тиратроны, как и ртутные вентили, обычно включаются в сеть через трансформаторы. Наличие трансформаторов объясняется необходимостью получения напряжения

требуемой величины на стороне выпрямленного тока. Двигатель. подключен к нулевой точке трансформатора 0 и общей точке катодов тиратронов К. Для сглаживания пульсации тока в цепь двигателя включена реактивная катушка-дроссель ДР.

Как указывалось, регулирование сеточного напряжения производится фазорегулятором ФР. Там же между сетками и фазорегулятором включены так называемые пиковые трансформаторы ПТр, дающие возможность получить более резкие изменения напряжения на сетке, а отсюда более четкую фиксацию момента зажигания тиратрона. Цепи накала тиратронов присоединяются к отдельным обмоткам трансформатора, не показанным на схеме.

Механические характеристики системы ионный преобразователь— двигатель подобны характеристикам системы генератор—двигатель с некоторым искажением в зоне, близкой к холостому ходу двигателя. Для повышения жесткости механических характеристик и увеличения диапазона регулирования скорости вращения двигателя в этих системах используют обратные связи по току и напряжению якоря двигателя.

Рис. 22. Схема ионного привода (с тиратронами и фазорегулятором)

Применение системы с ионными преобразователями экономичнее по стоимости, чем системы с вращающимися преобразователями, требует меньшей площади производственного помещения, кроме того, данная система имеет более высокий к. п. д. и практически безынерционное сеточное управление. Основным недостатком ионных преобразователей является низкий коэффициент мощности, который снижается при глубоком регулировании, примерно пропорционально уменьшению скорости вращения.

В последние годы были разработаны полупроводниковые (кремниевые) управляемые вентили — тиристоры, которые по своим функциям в схемах преобразователей аналогичны тиратронам. Тиристоры, очевидно, найдут в будущем широкое применение для приводов средней и большой мощности вместо тиратронов и управляемых ртутных вентилей.

В приводах малой и средней мощности в настоящее время стали широко применять систему регулирования скорости двигателя с помощью магнитных усилителей. Принцип действия магнитного усилителя основан на явлении изменения индуктивного сопротивления переменного тока путем изменения подмагничивания сердечников постоянным током. Имеются приводы с магнитными усилителями, питающимися от сетей однофазного и трехфазного тока. Комплектные установки с магнитными усилителями, выпускаемые промышленностью мощностью от 0,1 до 8 кет, позволяют получать диапазон регулирования скорости порядка 10 : 1 при плавном регулировании. Они надежны в эксплуатации и имеют высокий к. п. д.

Механические характеристики двигателя при таком способе регулирования скорости — мягкие вследствие значительного снижения напряжения на обмотке якоря с увеличением нагрузки двигателя.

Магнитные усилители могут иметь несколько обмоток управления и регулировать функции нескольких параметров. Они обладают большим коэффициентом усиления по мощности. Существенным недостатком привода с магнитным усилителем является его значительная инерционность: при резком изменении нагрузки на валу двигателя могут возникнуть колебания скорости и новое установившееся состояние наступает только спустя 0,2—2 сек.

Рис. 23. Схема электропривода с магнитным усилителем

34.)Пуск, торможение и реверс двигателя постоянного тока

Пуск двигателя постоянного тока прямым включением его на напряжение сети допустим только для двигателей небольшой мощности. При этом пик тока в начале пуска может быть порядка 4 — 6-кратного номинального. Прямой пуск двигателей постоянного тока значительной мощности совершенно недопустим, потому что начальный пик тока здесь будет равен 15 — 50-кратному номинальному. Поэтому пуск двигателей средних и больших мощностей производят при помощи пускового реостата, который ограничивает ток при пуске до допустимых по коммутации и механической прочности значений.

Пусковой реостат выполняется из провода или ленты с высоким удельным сопротивлением, разделенных на секции. Провода присоединяются к медным кнопочным или плоским контактам в местах перехода от одной секции к другой. По контактам перемещается медная щетка поворотного рычага реостата. Реостаты могут иметь и другое выполнение. Ток возбуждения при пуске двигателя с параллельным возбуждением устанавливается соответствующим нормальной работе, цепь возбуждения включается прямо на напряжение сети, чтобы не было уменьшения напряжения, обусловленного падением напряжения в реостате (см. рис. 1).

Необходимость иметь нормальный ток возбуждения связана с тем, что при пуске двигатель должен развивать возможно больший допустимый момент Мэм, необходимый для обеспечения быстрого разгона. Пуск двигателя постоянного тока производится при последовательном уменьшении сопротивления реостата, обычно — путем перевода рычага реостата с одного неподвижного контакта реостата на другой и выключения секций; уменьшение сопротивления может производиться и путем замыкания накоротко секций контакторами, срабатывающими по заданной программе.

При пуске вручную или автоматически ток изменяется от максимального значения, равного 1,8 —2,5-кратному номинальному в начале работы при данном сопротивлении реостата, до минимального значения, равного 1,1 — 1,5-кратному номинальному в конце работы и перед переключением на другое положение пускового реостата. Ток якоря после включения двигателя при сопротивлении реостата rп составляет

где Uс — напряжение сети.

После включения начинается разгон двигателя, при этом возникает противо-ЭДС Е и уменьшается ток якоря. Если учесть, что механические характеристики n = f1(Mн) и n = f2 (Iя) практически линейны, то при разгоне увеличение скорости вращения будет происходить по линейному закону в зависимости от тока якоря (рис. 1). 

Рис. 1. Диаграмма пуска двигателя постоянного тока

Пусковая диаграмма (рис. 1) для различных сопротивлений в цепи якоря представляет собой отрезки линейных механических характеристик. При уменьшении тока якоря IЯ до значения Imin выключается секция реостата с сопротивлением r1 и ток возрастает до значения

где E1 — ЭДС в точке А характеристики; r1—сопротивление выключаемой секции.

Затем снова происходит разгон двигателя до точки В, и так далее вплоть до выхода на естественную характеристику, когда двигатель будет включен прямо на напряжение Uc. Пусковые реостаты рассчитаны по нагреву на 4 —6 пусков подряд, поэтому нужно следить, чтобы в конце пуска пусковой реостат был полностью выведен.

При остановке двигатель отключается от источника энергии, а пусковой реостат полностью включается — двигатель готов к следующему пуску. Для устранения возможности появления больших ЭДС самоиндукции при разрыве цепи возбуждения и при ее отключении цепь может замыкаться на разрядное сопротивление.

В регулируемых приводах пуск двигателей постоянного тока производится путем постепенного повышения напряжения источника питания так, чтобы ток при пуске поддерживался в требуемых пределах или сохранялся в течение большей части времени пуска примерно неизменным. Последнее можно осуществить путем автоматического управления процессом изменения напряжения источника питания в системах с обратными связями.

Пуск двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением производится также при помощи пусковых устройств. Пусковая диаграмма представляет собой отрезки нелинейной механической характеристики для различных сопротивлений цепи якоря. Пуск при относительно небольших мощностях может выполняться вручную, а при больших — путем замыкания накоротко секций пускового реостата контакторами, которые срабатывают при управлении вручную или автоматически.

Реверсирование — изменение направления вращения двигателя — производится путем изменения направления действия вращающего момента. Для этого требуется изменить направление магнитного потока двигателя постоянного тока, т. е. переключить обмотку возбуждения или якорь, при этом в якоре будет протекать ток другого направления. При переключении и цепи возбуждения, и якоря направление вращения останется прежним.

Обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения имеет значительный запас энергии: постоянная времени обмотки составляет секунды для двигателей больших мощностей. Значительно меньше постоянная времени обмотки якоря. Поэтому для того чтобы реверсирование проходило возможно быстрее, производится переключение якоря. Только там, где не требуется быстродействия, можно выполнять реверсирование путем переключения цепи возбуждения.

Реверсирование двигателей последовательного возбуждения можно производить переключением или обмотки возбуждения, или обмотки якоря, так как запасы энергии в обмотках возбуждения и якоря невелики и их постоянные времени относительно малы.

При реверсировании двигателя с параллельным возбуждением якорь сперва отключается от источника питания и двигатель механически тормозится или переключается для торможения. После окончания торможения якорь переключается, если он не был переключен в процессе торможения, и выполняется пуск при другом направлении вращения.

В такой же последовательности производится и реверсирование двигателя последовательного возбуждения: отключение — торможение — переключение — пуск в другом направлении. У двигателей со смешанным возбуждением при реверсировании следует переключить якорь либо последовательную обмотку вместе с параллельной.

Торможение необходимо для того, чтобы уменьшить время выбега двигателей, которое при отсутствии торможения может быть недопустимо велико, а также для фиксации приводимых механизмов в определенном положении. Механическое торможение двигателей постоянного тока обычно производится при наложении тормозных колодок на тормозной шкив. Недостатком механических тормозов является то, что тормозной момент и время торможения зависят от случайных факторов: попадания масла или влаги на тормозной шкив и других. Поэтому такое торможение применяется, когда не ограничены время и тормозной путь.

В ряде случаев после предварительного электрического торможения при малой скорости можно достаточно точно произвести остановку механизма (например, подъемника) в заданном положении и зафиксировать его положение в определенном месте. Такое торможение применяется и в аварийных случаях.

Электрическое торможение обеспечивает достаточно точное получение требуемого тормозящего момента, но не может обеспечить фиксацию механизма в заданном месте. Поэтому электрическое торможение при необходимости дополняется механическим, которое входит в действие после окончания электрического.

Электрическое торможение происходит, когда ток протекает согласно с ЭДС двигателя. Возможны три способа торможения.

Торможение двигателей постоянного тока с возвратом энергии в сеть. При этом ЭДС Е должна быть больше напряжения источника питания UС и ток будет протекать в направлении ЭДС, являясь током генераторного режима. Запасенная кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и частично возвращаться в сеть. Схема включения показана на рис. 2, а. 

Рис. 2. Схемы электрического торможения двигателей постоянного тока: я — с возвратом энергии в сеть; б — при противовключении; в — динамическое торможение

Торможение двигателя постоянного тока может быть выполнено, когда уменьшается напряжение источника питания так, что Uc< Е, а также при спуске грузов в подъемнике и в других случаях.

Торможение при противовключении выполняется путем переключения вращающегося двигателя на обратное направление вращения. При этом ЭДС Е и напряжение Uc в якоре складываются, и для ограничения тока I следует включать резистор с начальным сопротивлением

где Imах — наибольший допустимый ток. 

Торможение связано с большими потерями энергии.

Динамическое торможение двигателей постоянного тока выполняется при включении на зажимы вращающегося возбужденного двигателя резистора rт (рис. 2, в). Запасенная кинетическая энергия преобразуется в электрическую и рассеивается в цепи якоря как тепловая. Это наиболее распространенный способ торможения.

35.)Понятие о коллекторных двигателях переменного тока

Если машину постоянного тока включить в цепь переменного тока, взаимодействие тока в якоре I и магнитного потока индуктора Ф создает вращающий момент, пропорциональный произведению этих величин. Так как якорь и индуктор питаются от одной и той же сети, знаки I и Ф (при переменном токе) меняются одновременно и знак вращающего момента сохраняется неизменным.

Однако такой двигатель имел бы очень плохие технические и экономические характеристики. В стали индуктора были бы очень большие потери энергии на вихревые токи и гистерезис, поэтому к. п. д. двигателя был бы низким. В секциях обмотки якоря (замыкающихся щетками накоротко) переменным магнитным потоком индуктора индуктировались бы особые э. д. с, вследствие чего возникало бы сильное искрение под щетками. Коэффициент мощности такой машины тоже был бы низким. Поэтому коллекторные двигатели переменного тока, создаваемые по конструктивной схеме машин постоянного тока, имеют весьма существенные конструктивные усложнения:

1. сердечник индуктора собирают из листов электротехнической стали, как и у всех машин переменного тока;

2. в якоре для улучшения коммутации закладывают дополнительную обмотку, компенсирующую явления, вызывающие искрение под щетками.

Таким образом, коллекторная машина переменного тока сложнее и значительно дороже машины постоянного тока на ту же мощность.

Выпускаются однофазные коллекторные двигатели переменного тока с последовательным и с параллельным соединением обмоток якоря (ротора) и индуктора (статора). Характеристики их близки к характеристикам сериесного и шунтового двигателей постоянного тока. Однофазные двигатели с последовательным соединением обмоток получили применение на электрифицированных железных дорогах, причем в ряде случаев питание их осуществляется током пониженной частоты (25 и 162/з пер/сек), что улучшает условия их работы.

Однофазные коллекторные двигатели с последовательным возбуждением малой мощности находят все большее применение в электрифицированных бытовых приборах и устройствах автоматики. Они работают как на переменном, так и на постоянном токе и потому называются универсальными.

Трехфазные коллекторные двигатели создаются на основе конструктивной схемы трехфазного асинхронного двигателя, однако с очень большими усложнениями. Основное преимущество коллекторных двигателей переменного тока по сравнению с другими типами двигателей на этом токе – возможность плавного регулирования скорости вращения в очень широких пределах. Применение этих двигателей ограничивается их конструктивной сложностью и высокой стоимостью.

36.)Устройства трехфазного асинхронного двигателя

Устройство статора. Асинхронный двигатель, как и всякая электрическая машина, состоит из статора и ротора (рис. 3.1, а). Статор имеет цилиндрическую форму. Он состоит из корпуса /, сердечника 2 и обмотки 3. Корпус литой, в большинстве случаев стальной или чугунный.  Сердечник статора собирается из тонких листов электротехнической стали (рис. 3.1,б).

Листы для машин малой мощности ничем  не покрываются, так как образующийся на листах оксидный слой является достаточной изоляцией. Собранные листы стали образуют пакет статора, который запрессовывается в корпус статора. На внутренней поверхности сердечника вырубаются пазы, в которые укладывается обмотка статора. Обмотки статора могут соединяться звездой или треугольником. Для осуществления таких соединений на корпусе двигателя имеется коробка, в которую выведены начала фаз С1, С2, СЗ и концы фаз С4, С5, С6. На рис. 3.2, а—в показаны схемы расположения этих выводов и способы соединения их между собой при соединении фаз звездой и треугольником. Схема соединений обмоток статора зависит от расчетного напряжения двигателя и номинального напряжения сети. Например,  в паспорте двигателя указано 380/220. Первое число соответствует схеме соединения обмоток в звезду при линейном напряжении в сети 380 В, а второе — схеме соединения в треугольник при линейном напряжении сети 220 В. В обоих случаях напряжение на фазе обмотки будет 220 В.

Корпус статора с торцов закрыт подшипниковыми щитами, в которые запрессованы подшипники вала ротора.

Устройство ротора. Ротор асинхронного двигателя состоит из стального вала 4 (рис. 3.1, а), на который напрессован сердечник 5, выполненный, как и сердечник статора, из отдельных листов электротехнической стали с выштампованными в них закрытыми или полузакрытыми пазами. Обмотка ротора бывает двух типов: короткозамкнутая и фазная – соответственно роторы называются короткозамкнутыми и фазными. Большее распространение имеют двигатели с короткозамкнутым ротором, так как они дешевле и проще в изготовлении и в эксплуатации. Токопроводящая часть такого ротора, названного М. О. Доливо-Добровольским ротором с беличьей клеткой, состоит из медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко с торцов (рис. 3.3). Как правило, беличья клетка формируется путем заливки пазов ротора расплавленным алюминием.

Фазный ротор (рис.3.4) имеет три обмотки, соединенные в звезду. Выводы обмоток подсоединены к кольцам 2, закрепленным на валу 3. К кольцам при пуске прижимаются неподвижные щетки 4, которые подсоединяются к реостату 5.

37.)Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя

Неподвижная часть асинхронного двигателя – статор имеет трехфазную обмотку, при включении которой в сеть возникает вращающееся магнитное поле. Скорость вращения этого поля

n1=f1∙60/p.

В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя – ротор, который состоит из вала, сердечника и обмотки. Обмотка ротора состоит из стержней, уложенных в пазы сердечника и замкнутых с двух сторон кольцами.

Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них э. д. с. Но так как обмотка ротора замкнута, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на проводниках обмотки ротора электромагнитные силы Fпр, направление которых определяется по правилу «левой руки». Силы Fпр стремятся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил Fпр, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент М, приводящий его во вращение со скоростью n2. Вращение ротора через вал передается исполнительному механизму.

Таким образом, электрическая энергия, поступающая в обмотку статора из сети, преобразуется в механическую.

Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависит от порядка следования фаз напряжения, подводимого к обмотке статора. При необходимости изменить направление вращения ротора асинхронного двигателя следует поменять местами любую пару проводов, соединяющих обмотку статора с сетью. Например, порядок следования фаз АВС заменить порядком СВА. Скорость вращения ротора n2асинхронного двигателя всегда меньше скорости вращения поля n1, так как только в этом случае возможно наведение э.д.с. в обмотке ротора. Разность скоростей ротора и вращающегося поля статора характеризуется величиной, называемой скольжением,

s=(n1 - n2)/n1.

Часто скольжение выражается в процентах:

s=[(n1 - n2)/n1]∙100.

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в пределах от 0 до 1. При этом s≈0 соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя не испытывает противодействующих моментов, а s≈1 соответствует режиму короткого замыкания, когда противодействующий момент двигателя превышает вращающий момент и поэтому ротор двигателя неподвижен (n2=0).

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Так, например, для двигателей нормального исполнения мощностью от 1 до 1000 кВт номинальное скольжение приблизительно составляет соответственно 0,06-0,01, т.е. 6-1%.

Скорость вращения ротора асинхронного двигателя равна

n2=(1-s)∙n1.

На щитке двигателя указывается номинальная скорость вращения nн. Эта величина дает возможность определить синхронную скорость вращения n1, номинальное скольжение sн, а также число полюсов обмотки статора 2р.