Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Электрические машины. Учебно-методическое пособие
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
К а ф е д р а «Теоретическая и общая электротехника»
П.Ю. ГРАЧЕВ,
Е.В. СТРИЖАКОВА
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Учебно-методическое пособие
Самара
Самарский государственный технический университет
2016
1
Печатается по решению редакционно-издательского совета СамГТУ
УДК 621.313
ББК 33.36я73
Г78
Грачев П.Ю.
Г78 Электрические машины: учебно-методическое пособие / П.Ю. Грачев,
Е.В. Стрижакова. – Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2016. – 103 с.
Представлен теоретический материал по теме «Электрические машины»,
включающий описание устройства, работы и характеристик основных типов электрических машин. Изложена методика выбора электрического двигателя, снабженного устройствами защиты от перегрузок и коротких замыканий, на основе
расчета номинальных данных. Приведены методики выполнения лабораторных
работ по исследованию свойств коллекторных машин: двигателя постоянного тока независимого возбуждения, двигателя постоянного тока последовательного
возбуждения, генератора постоянного тока, а также свойств асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором.
Рекомендуется для студентов бакалавриата неэлектротехнических специаль-
ностей, изучающих электротехнику.
Рецензент канд. техн. наук, доцент Ю.Н. Коломийцев
УДК 621.313
ББК 33.36я73
Г78
© П.Ю. Грачев, Е.В.Стрижакова, 2016
© Самарский государственный
технический университет, 2016
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
В данной работе представлен материал, который направлен на
углубленное освоение раздела «Электрические машины», посвященного изучению основных типов электрических машин и входящего в
курсы бакалавриата «Общая электротехника» и «Электротехника и
электроника». Поставлена также задача приобретения навыков расчета при выборе электрических двигателей и их защит для различных
режимов работы. Приведены методики выполнения лабораторных
работ по исследованию машин постоянного и переменного тока,
направленные на развитие практических умений студентов. Кроме
того, есть вопросы и сведения, необходимые для предлабораторной
подготовки и для итогового контроля знаний по итогам выполнения
лабораторных работ.
Цель пособия – освоение студентами теории и приобретение
практических навыков в области электрических машин, в том числе –
снятия и построения и анализа различных характеристик.
Учебно-методическое пособие использует основные приемы математического описания процессов в электромеханических преобразователях, например, схемы замещения и векторные диаграммы.
Пособие последовательно включает в себя теоретические сведения, методики расчета данных электродвигателей, методики выполнения лабораторных работ и контрольные вопросы.
Содержание пособия соответствует программе курса «Электротехника и электроника», оно предназначено для обучения студентов
следующих направлений подготовки: 18.03.02 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии», 23.03.01 «Технология транспортных процессов»,
23.03.03 «Эксплуатация транспортно-технологических машин и комплексов».
Издание рекомендуется для студентов неэлектротехнических
специальностей, изучающих электротехнику, очной и заочной форм
обучения.
3
ВВЕДЕНИЕ
Современный мир сложно представить без широчайшего применения электрических машин (ЭМ). Почти вся электроэнергия вырабатывается электрическими машинами – генераторами [1-4]. Но ЭМ работают не только в режиме генератора, но и в режиме двигателя. По
роду питания ЭМ делятся на машины постоянного и переменного тока. По конструкции и принципу действия ЭМ переменного тока
включают асинхронные и синхронные машины. Существуют явнополюсные и неявнополюсные машины.
Приведем некоторые области применения электрических машин:
1. Преобразование механической энергии в электрическую (ре-
жим генератора) – ГЭС, ТЭЦ, атомные и ветро-электростанции.
2. Преобразование электрической энергии в механическую (ре-
жим двигателя) – добывающая, обрабатывающая, и нефтяная промышленности, сельское хозяйство и т.п.
3. Электродвигатели применяют в бытовых электроприборах.
4. Работают в двигательном генераторном режиме – в наземном
транспорте, космической, авиационной и морской технике [9].
Таким образом, в современной технике ЭМ играют важную роль.
Поэтому представленный в пособии материал актуален. Он позволяет
изучить не только теорию этих машин, но и помочь экспериментальным исследованиям в лабораторных условиях, с применением известного математического аппарата.
Глава 1. СИНХРОНННЫЕ МАШИНЫ
Такие машины работают как генераторы переменного тока частоты 50 Гц на электрических станциях, а также как генераторы повышенной частоты в составе автономных объектов (космических аппаратов, самолетов и т.п.) [2, 9]. Электрический привод также часто использует синхронные двигатели. Синхронные двигатели малой мощ-
4
ности (с постоянными магнитами, реактивные, индукторные, шаговые…) применяют также в устройствах автоматики.
Рис. 1.1. Устройство синхронных машин
Синхронные машины (СМ), основные особенности конструкций
которых показаны на рис. 1.1, а, состоят из двух основных частей –
неподвижного статора (с трехфазным якорем) и вращающегося ротора (с индуктором на валу).
5
Статор включает корпус и якорь с трехфазной обмоткой. Ротор –
или с обмоткой постоянного тока (электромагнитное возбуждение),
или с постоянными магнитами (магнитоэлектрическое возбуждение).
В первом случае обмотка индуктора питается постоянным током и
называется обмоткой возбуждения.
По конструктивному выполнению роторы СМ бывают двух типов – явнополюсные (рис. 1.1, б, г) и неявнополюсные (рис. 1.1, в, д).
Неявнополюсные роторы применяются в машинах с большой частотой вращения вала (n = 3000, 1500 и 1000 об/мин), явнополюсные – в
машинах большой мощности с меньшей частотой вращения ротора.
Для питания обмотки возбуждения необходимо иметь источник
постоянной ЭДС. В качестве такого источника используют полупроводниковый выпрямитель или генератор постоянного тока на валу
синхронной машины, называемый возбудителем.
При параллельной работе с сетью ЭДС синхронного генератора
должна иметь неизменную частоту, что обеспечивается n = const. Таким образом, регулирование ЭДС генератора осуществляют только
изменением магнитного потока полюсов Фп, т. е. изменением тока в
обмотке возбуждения индуктора.
1.1. РАБОТА СИНХРОННОЙ МАШИНЫ
В РЕЖИМЕ АВТОНОМНОГО ГЕНЕРАТОРА.
РЕАКЦИЯ ЯКОРЯ
При подключении сопротивления нагрузки ZH к вращающемуся
приводным двигателем (ПД) трехфазному синхронному генератору
(рис. 1.2) в фазах А, В, С обмотки якоря возникают токи, вызывающие магнитный поток якоря. Этот поток, созданный трехфазной системой токов, представляет собой вращающееся магнитное поле.
Каждый северный полюс поля якоря взаимодействуют с южным полюсом индуктора, а каждый южный полюс – с северным. Таким образом, индуктор на роторе вращается синхронно с магнитным полем
якоря. Если в автономном режиме работы СГ (якорь не соединен с
6
сетью) изменить частоту вращения ротора, то изменятся частота ЭДС
якоря (E) и частота вращения магнитного поля якоря. Синхронность
вращения магнитных полей якоря и ротора сохранится.
Рис. 1.2. Автономный синхронный генератор
Взаимодействие магнитного потока якоря с магнитным потоком
индуктора называют реакцией якоря. Реакция якоря зависит от характера нагрузки (коэффициента мощности нагрузки). Рассмотрим три
вида нагрузки: активную, индуктивную и емкостную.
При активной нагрузке (Z = R) сдвиг фаз между напряжением и
током нагрузки (угол φ) равен нулю в каждой фазе генератора. Пренебрегая падением напряжения на сопротивлении обмотки якоря, т. е.
полагая, что (E ≈ U), рассмотрим взаимодействие магнитного потока
полюсов индуктора Фп и магнитного потока якоря Фя. В момент времени t0 (рис. 1.3, справа), когда ось полюсов N, S (ось Фп) индуктора
совпадает с плоскостью витка, обозначающего фазу А обмотки якоря
генератора, ЭДС и ток в фазе А имеют максимальные значения т. к. φ
= 0 (при этом направление оси магнитного поля якоря, созданного
током фазы А, совпадает с направлением оси магнитного поля, созданного токами всех фаз трехфазной обмотки якоря). Следовательно, направления потока индуктора и якоря перпендикулярны. Сило-
7
вые линии магнитного потока Фп замыкаются по полюсам индуктора
и сердечнику якоря, проходя через воздушный зазор. Силовые линии
магнитного потока Фя замыкаются вокруг проводников с током фаз
обмотки. Образуется результирующий магнитный поток Ф
Рис. 1.3. Реакция якоря при активной нагрузке
рез.
Из рис. 1.3 видно, что под правой стороной северного и под левой стороной южного полюсов индуктора результирующий магнитный поток Ф
, вследствие воздействия магнитного потока якоря,
рез
возрастает. Под другими сторонами полюсов он уменьшается. Возникает так называемая поперечная составляющая реакции якоря. Ось
результирующего магнитного потока Ф
синхронного генератора
рез
поворачивается на угол θ в сторону, противоположную вращению (n)
индуктора. Чем больше ток нагрузки, тем больше угол θ. Увеличение
угла θ (тока нагрузки) сопровождается увеличением момента нагрузки на валу первичного двигателя, так как увеличивается притяжение
магнитных полюсов потоков якоря и индуктора. Таким образом, активная нагрузка приводит к искажению результирующего магнитного
поля и появлению поперечной составляющей реакции якоря.
При индуктивной нагрузке (Z = ХL) ток отстает от напряжения
(ЭДС) в каждой фазе на 90 ° (рис. 1.4, справа). В момент t0 ток имеет
максимальное значение, а e = 0. В этом случае ось полюсов индуктора перпендикулярна плоскости витка фазы А (см. рис. 1.4, слева). Из
8
рис. 1.4 видно, что магнитный поток якоря Фя направлен навстречу
потоку Фп индуктора. Происходит так называемое размагничивание,
т. е. результирующий магнитный поток Ф
становится меньше пото-
рез
ка Фп, создаваемого индуктором.
Рис. 1.4. Реакция якоря при индуктивной нагрузке
Таким образом, индуктивная нагрузка создает продольную раз-
магничивающую реакцию якоря. При этом оси магнитных потоков
якоря и индуктора совпадают, угол θ = 0 и момент на валу первичного двигателя не возникает.
При емкостной нагрузке (Z = 1/ХC) ток опережает напряжение на
90 °. В момент времени t0 (рис. 1.5, справа) ток нагрузки имеет максимальное значение, а ЭДС равна нулю. В этом случае, как и в
предыдущем, ось полюсов индуктора перпендикулярна плоскости
витка фазы А (см. рис. 1.5, слева), но положение полюсов индуктора
сменилось.
Рис. 1.5. Реакция якоря при емкостной нагрузке
9
Таким образом, результирующий магнитный поток Ф
склады-
рез
вается из потока Фп индуктора и магнитного потока Фя якоря. Следовательно, емкостная нагрузка синхронного генератора создает про-
дольную намагничивающую составляющую реакции якоря, и результирующий магнитный поток Ф
будет больше потока Фп индуктора.
рез
При другом характере нагрузки реакция якоря состоит из двух
составляющих – продольной и поперечной.
1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
Рассмотрим следующее: характеристику холостого хода генера-
тора, внешние и регулировочные характеристики.
Рис. 1.6. Вид характеристик синхронного генератора
Характеристика холостого хода (рис. 1.6, а) – это зависимость
ЭДС синхронного генератора от тока индуктора: Е = f(IВ) – снимается
при отсутствии нагрузки (I
дуктора (n = n
= const).
ном
= 0) и постоянной частоте вращения ин-
наг
По этой характеристике (см. рис. 1.6, а), напоминающей кривую
намагничивания ферромагнитного материала, можно определить номинальное напряжение, на которое рассчитан данный генератор. Для
этого на «колене» кривой (переходе в область магнитного насыщения) выбирают точку (А) и определяют индуцируемую ЭДС якоря Е0
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]