5445

Практическое занятие № 11

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ И РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель занятия: Изучить принцип действия и определить основные параметры электрических машин постоянного тока.

Для представленной ниже схемы электрической машины постоянного тока требуется рассчитать основные характеристики машины постоянного тока в режимах генератора (г) и двигателя (д). Исходные данные представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

1. Электрические схемы практического занятия

M

Rр

Рисунок 1 – Электрическая схема генератора постоянного тока параллельного возбуждения

51

-

Rр

Рисунок 2 – Электрическая схема двигателя постоянного тока параллельного возбуждения

2. Теоретические сведения о машинах постоянного тока

Работа любой электрической машины постоянного тока характеризуется взаимодействием двух направленных навстречу друг другу вращающих моментов, один из которых создаётся механическими, а другой – электромагнитными силами. Работа двигателя и генератора характеризуется взаимодействием напряжения сети и электродвижущей силы (ЭДС), возникающей в обмотке якоря. Электрическая схема машины постоянного тока представлена на рисунок 1.

Генератор постоянного тока. В генераторе энергия механического движения преобразуется в электрическую энергию. Двигатель, в качестве которого обычно используют турбину или двигатель внутреннего сгорания, вращает якорь в магнитном поле возбуждения. Вследствие этого вращения изменяется магнитный поток, пронизывающий витки обмотки якоря. При этом индуктируется ЭДС, пропорциональная скорости изменения

магнитного потока: e w ddtФ , где w – число витков, пронизываемых изме-

няющимся магнитным потоком Ф ; dФ – производная магнитного потока dt

по времени или скорость изменения магнитного потока.

Приведённая формула, выражающая закон электромагнитной индукции, показывает, что для индуктирования постоянной ЭДС Е необходимо равномерно с (с постоянной скоростью) увеличивать или уменьшать магнитный поток Ф. Однако равномерное увеличение или уменьшение магнитного потока в течение длительного времени технически осуществить невозможно. Поэтому получение постоянной ЭДС в устройствах, основанных на законе электромагнитной индукции, невозможно.

В реальном генераторе постоянного тока магнитный поток, пронизывающий каждый виток обмотки якоря, периодически изменяется

52

по синусоидальному закону. Соответственно по этому закону изменяется и ЭДС в каждом витке обмотки.

Для получения постоянной ЭДС используют различные выпрямители, в частности генератор постоянного тока снабжается механическим выпрямителем – коллектором. Коллектор автоматически переключает концы витков обмотки при изменении направления ЭДС и таким образом осуществляет выпрямление.

При большом числе витков, сдвинутых по окружности якоря на небольшие углы, пульсации выпрямленной результирующей ЭДС на зажимах генератора становятся пренебрежимо малыми. В этом случае машина вырабатывает напряжение, практически постоянное по значению и направлению.

Для повышения уровня вырабатываемой ЭДС поверх первого ряда витков обмотки могут быть уложены без смещения (в те же самые пазы якоря) второй и последующие ряды витков.

При разомкнутых выходных зажимах генератора ток в обмотке якоря равен нулю. При этом генератор работает вхолостую, а приводной двигатель преодолевает только моменты трения, затрачивая минимальную механическую энергию. При подключении к генератору электрической нагрузки по обмотке якоря начинает проходить ток.

Проводники обмотки находятся в магнитном поле. В соответствии с законом Ампера возникают механические силы, направление которых определяется правилом левой руки. Нетрудно убедиться, что эти силы создают вращающий момент, направленный противоположно моменту приводного двигателя.

Чем больше мощность потребителей электрической энергии, подключённых к генератору, тем больше ток в обмотке якоря и больше силы, препятствующие его вращению. Соответственно увеличиваются и затраты механической энергии на вращение якоря генератора.

Генератор, у которого обмотка возбуждения подключена к якорю параллельно нагрузке, называется генератором параллельного возбуждения (шунтовым). Электрическая схема генератора постоянного тока параллельного возбуждения представлена на рисунок 1. Напряжение на зажимах генератора параллельного возбуждения создаётся в процессе самовозбуждения, которое основано на том, что в машине практически всегда существует поток остаточного магнетизма – Фост . Если привести якорь во вращение с

номинальной скоростью, то под действием этого потока в якоре возникает ЭДС Eост и по обмотке возбуждения пойдет ток, который будет создавать

магнитный поток машины Ф . Направление этого потока должно совпадать с потоком остаточного магнетизма и усиливать его, в противном случае результирующий магнитный поток практически может стать равным нулю, машина «размагнитится» и не будет создавать ЭДС.

53

При согласном направлении потоков Ф и Фост результирующий поток

увеличивается, что приводит к росту наводимой в якоре ЭДС и, в свою очередь, вызывает дальнейшее повышение тока возбуждения и магнитного потока машины до тех пор, пока не наступит равновесие между ЭДС якоря и падением напряжения в цепи возбуждения.

Двигатель постоянного тока. Если подключить машину постоянного тока к электрической сети, через обмотку якоря потечёт ток. В соответствии с законом Ампера на проводники обмотки якоря, находящиеся в магнитном поле возбуждения, действуют механические силы. Эти силы создают вращающий момент, под действием которого якорь начинает раскручиваться.

Вращающийся вал якоря используют для привода в действие различных механизмов: подъёмных и транспортных средств, станков, швейных машин и т. д. Электрическая схема двигателя постоянного тока параллельного возбуждения представлена на рисунке 2.

Исходя из закона сохранения энергии можно считать, что мощность, потребляемая двигателем из сети, тем больше, чем больше механическая нагрузка на его валу. Однако для понимания сущности работы электрического двигателя важно проследить, каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем.

Разберёмся в этом. Обмотка якоря двигателя вращается в магнитном поле возбуждения. В этих условиях в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотке якоря возникает ЭДС. Применяя правило правой руки, нетрудно установить, что наведённая ЭДС направлена навстречу приложенному напряжению сети. Поэтому её назвали проти- во-ЭДС. Именно противо-ЭДС является фактором, регулирующим потребление электрической мощности из сети.

По закону электромагнитной индукции, противо-ЭДС прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего витки обмотки якоря. Следовательно, с уменьшением частоты вращения якоря уменьшается и противо-ЭДС.

Если механическая нагрузка на валу двигателя отсутствует (двигатель работает вхолостую), вращающему моменту двигателя препятствуют только моменты трения и частота вращения якоря достигает максимального значения. При этом противо-ЭДС почти полностью компенсирует напряжение сети и через обмотку якоря проходит минимальный ток. Соответственно электрическая мощность, потребляемая из сети, минимальна. При подключении механической нагрузки частота вращения якоря уменьшается, а следовательно, уменьшится и значение противо-ЭДС. Ток и электрическая мощность, потребляемые двигателем из сети, возрастут. Таким образом, противо-ЭДС в двигателе выполняет функции дросселя, регулирующего поступление мощности из сети.

54

Основные формулы для расчёта электрических машин постоянного тока

где ce – электрическая постоянная, зависящая от конструктивных данных

машины; Ф – магнитный поток, Вб; n – частота вращения якоря, об/мин; p – число пар полюсов машины; N – число активных проводников об-

мотки якоря; a – число параллельных ветвей обмотки якоря.

М 9,55Р2 / n , где см – постоянная двигателя, обусловливающая момент двигателя.

3. Задания

3.1. Изучение работы генератора постоянного тока и расчёт его параметров Двухполюсный генератор ( pг = 1) постоянного тока с параллельным

возбуждением имеет сопротивление цепи якоря Rя г , одну пару параллельных ветвей ( aг = 1), Nг активных проводников, магнитный поток Фг , частота вращения якоря nн омг . При номинальном токе в цепи нагрузки Iн омг и токе возбуждения Iв г , КПД г .

Определить напряжение на зажимах генератора при номинальной нагрузке (U н ), электромагнитный момент ( M ), подводимую к генератору

мощность при номинальной нагрузке ( P1 ) и потери мощности ( P ).

3.2. Изучение работы двигателя постоянного тока и расчёт его параметров

55

Четырёхполюсный двигатель ( pд 2) постоянного тока с параллель-

ным возбуждением работает от сети с напряжением U и потребляет ток Iн омд . Число проводников в обмотке якоря Nд , число пар параллельных

ветвей aд , магнитный поток Фд , сопротивление обмотки якоря Rя д , ток обмотки возбуждения Iв д .

Определить ЭДС обмотки якоря ( E ), номинальную частоту вращения ( nд ), номинальный вращающий момент ( M ), КПД двигателя постоянного

тока ( г ).

4. Контрольные вопросы

4.1. Какие части составляют устройство машины постоянного тока?

4.2.Объясните принцип работы машины постоянного тока?

4.3.Объясните принцип работы двигателя постоянного тока?

4.4.Объясните принцип работы генератора постоянного тока?

4.5. Как увеличение мощности потребителей электрической энергии, подключённых к генератору, влияет на затраты механической энергии на вращение якоря генератора?

4.6. Каким образом изменение механической нагрузки сказывается на электрической мощности, потребляемой двигателем?

4.7. Какую роль выполняет противо-ЭДС в двигателе?

Практическое занятие № 12

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ И РАСЧЁТ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Цель занятия: Изучить принцип действия и определить основные параметры электрической машины переменного тока.

Для представленной ниже схемы электрической машины переменного тока требуется рассчитать основные характеристики асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Исходные данные представлены в таблице 1.

56

1. Электрическая схема практического занятия (см. рисунок 1)

А В С

А

Iл

Uл

V

С2 С1 С3

М

Рисунок 1 – Электрическая схема трёхфазного асинхронного двигателя

2. Теоретические сведения об асинхронных двигателях

Асинхронный двигатель является простейшей машиной из всех электрических машин. Принцип действия асинхронного двигателя основан на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники. Электрическая схема трёхфазного асинхронного двигателя представлена на рисунок 1.

Одной из важнейших характеристик двигателя является скольжение: через него выражаются ЭДС и ток ротора, вращающий момент, частота вращения ротора. Скольжение s – это отношение разности между частотой вращения магнитного поля статора и частотой вращения ротора машины переменного тока к частоте вращения магнитного поля (в процентах):

где n1 – частота вращения магнитного поля, об/мин; n2 – частота враще-

ния ротора, об/мин.

Критическое скольжение – это скольжение, при котором асинхронная

57

cos – угол сдвига фаз между током и напряжением (коэффициент мощности).

Коэффициент полезного действия (кпд) электрической машины

P / P .

2 1

Электромагнитная мощность, передаваемая электромагнитным путём из статора в ротор Pэм М 1 , М – вращающий момент, Н∙м; 1 – угловая

синхронная скорость вращающегося магнитного поля, рад/с.

58

3. Задания

3.1. Изучить принцип действия и найти ЭДС, индуцируемую в фазе обмоток статора и ротора, асинхронного короткозамкнутого двигателя при неподвижном и вращающемся роторе, коэффициент трансформации и процентное значение ЭДС от подводимого напряжения обмотки статора, если известны следующие паспортные данные двигателя: скольжение s , обмотка статора соединена в звезду и подключена к сети переменного тока с линейным напряжением U л ном , число витков в каждой фазе статора w1 , ро-

тора w2 , магнитный поток Ф , обмоточный коэффициент статора K01 , ротора K02 , частота тока f .

3.2. Изучить принцип действия и определить параметры трёхфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, который имеет следующие технические характеристики: номинальная мощность на валу Рном , номинальное напряжение сети U л ном , номинальное скольжение

s , коэффициент полезного действия , коэффициент мощности при номинальной нагрузке cos ном , при холостом ходе cos хх , кратность пускового тока K I , кратность пускового момента KM , перегрузочная

способность двигателя .

Определить номинальный, максимальный и пусковой вращающие моменты, фазный, линейный и пусковой токи при номинальной нагрузке, ток холостого хода, потери энергии в роторе, общее, активное и индуктивное сопротивление фазы при номинальной нагрузке, частоту вращения ротора при максимальной нагрузке.

4. Контрольные вопросы

4.1. Какие части составляют устройство электрической машины переменного тока?

4.2. Как устроена обмотка статора электрической машины переменного тока?

4.3. Объясните принцип действия асинхронного двигателя? 4.4. Что такое скольжение в асинхронном двигателе?

59

4.5. Как устроена обмотка короткозамкнутого ротора асинхронного двигателя?

4.6.Как устроена обмотка фазного ротора асинхронного двигателя?

4.7.Как образуется вращающееся магнитное поле на примере двухфазного синусоидального тока и двух катушек?

Практическое занятие № 13

ИЗУЧЕНИЕ И РАСЧЁТ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

Цель занятия: Расчёт основных характеристик и определение параметров полупроводникового диода.

Для представленной ниже схемы однополупериодного выпрямителя, собранного на полупроводниковом диоде (рисунок 1, а), дана вольтамперная характеристика (ВАХ) электрической цепи, приведенная на рисунок 1, б. Требуется определить средние значения выпрямленных тока I0 и

напряжения U0 , мощность P , выделяемую на нагрузочном резисторе Rн , обусловленную выпрямленным током I0 . Начертить ВАХ, волновые диа-

граммы тока и напряжения исследуемого диода. Нелинейностью характеристики пренебречь. Исходные данные приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Исходные данные

1. Электрическая схема практического занятия (см. рисунок 1)

60