Мороз_Электротехника

сопротивле ний выполняются из условия, чтобы электрические

номинального тока двигателя, поэтому, не допуская большой ошибки, можно принять его равны м нулю. При этом допущении схема замещения упростится, и будет иметь вид рис.10.13.

По упрощенной схеме замещения можно выразить действующее значение тока статора через фазное напряжение, приложенное к обмотке статора, а также, через параметры обмоток статора и ротора:

114

115

(10.17)

Неточность, которую вносит упрощенная схема замещения, вполне допустима для практических расчетов. Ток при пуске асинхронного двигателя, когда S=1,

пусковой ток в 5 -7 раз больше номинального.

При номинальном режиме S Sнон и I1 Iн о н.

3.14. Вращающий момент асинхронного двигателя

Как видно из схемы замещения (рис.10.12) мощность одной фазы асинхронного двигателя P1 будет равна:

сопротивлений на валу, т . е . на совершение полезной работы двигателя, полезная мощность.

115

116

В реальном двигателе в P1 входят еще механические потери на трение в подшипниках, на трение о воздух вращающегося ротора.

Механическую мощность двигателя можно выразить

При нормальном установившемся режиме работы двигателя, когда скорость вращения ротора постоянна, Pмех Рэл , т.е.

116

Квадратичная зависимость момента от напряжения показывает, что асинхронные двигатели очень чувствительны к понижению напряжения

питающей сети, что является их недостатком.

3.15. Зависимость вращающего момента от скольжения

На рис.10.14 приведена характеристика асинхронного двигателя

Величину критического момента M кр и соответствующее ему

критическое скольжение Sкрит можно определить, взяв dM

производную dS из (10.24) и прировняв еѐ к нулю,

117

118

(10.26)

Формулы (10.26) и (10.25) позволяют сделать весьма важные выводы:

1)критический момент асинхронного двигателя не зависит от активного сопротивления цепи ротора;

2 ) скольжение Sкр (следовательно, и скорость двигателя), при котором возникает максимальный момент, прямо пропорциональны

активному сопротивлению ротора r2 . Участок характеристики между точками I и 2 (рис.10.14) соответствует устойчивой работе и номинальному режиму асинхронного двигателя. На этом участке

автоматически устанавливается равновесие между моментом статических сопротивлении нагрузки и преодолевающим их моментом двигателя. Увеличение или уменьшение момента сопротивления на валу, приводит соответственно к некоторому снижению (или увеличению) оборотов ротора, это

(2-3), увеличением или уменьшением вращающего момента двигателя.

стка, увеличением или уменьшением вращающего момента двигателя. Точка 2 характеристики (рис.10.14) соответствует положению

неустойчивого равновесия, так как при снижении частоты вращения (вызванном увеличением нагрузки на валу), момент двигателя падает, в результате чего двигатель останавливается, участок характеристики 2-3 (рис.10.14) является неустойчивой областью работы двигателя.

3.16. Асинхронный двигатель с фазным ротором

Одним из недостатков асинхронных короткозамкнутых двигателей является невозможность плавного регулирования частоты вращения. Как было сказано ранее, номинальная частота вращения ротора близка к частоте вращающегося поля, а последняя обратно пропорциональна числу пар полюсов p, т.е. может изменяться только дискретно (скачками).

Для получения возможности плавного регулирования частоты вращения применяют асинхронные двигатели с фазным ротором. В них обмотка ротора выполняется не в виде короткозамкнутых стержней, а как и обмотка статора, из изолированной проволоки, причем так, что начала фаз соединены в одну общую точку, а концы их припаяны к медным кольцам на валу (рис.10.15).

118

119

К кольцам прижимаются неподвижные щетки, к которым присоединены регулируемые сопротивления. Это дает возможность изменять активное сопротивление цепи ротора r2 , а следовательно, регулировать вращающий момент (10.24) и изменять частоту вращения асинхронного двигателя (10.26), а также при необходимости увеличивать (10.24) пусковые моменты, соответствующие скольжению S=1.

Но увеличение активного сопротивления цепи ротора приводит к увеличению потерь 3 r2 I 22 и снижению КПД двигателя.

3.17. Машины постоянного тока

Наряду с машинами переменного тока в народном хозяйстве получили большое распространение машины постоянного тока. Как увидим в дальнейшем, эти машины обладают особыми свойствами, например, возможностью плавного регулирования частоты вращения, и другими, которые сделали их незаменимыми в металлургии, электроприводах и других отраслях народного хозяйства.

3.18 Принцип действия и устройство

Принцип действия машин постоянного тока основан на явлении электромагнитной индукции и на явлении взаимодействия тока проводника с магнитным полем.

Если проводник в магнитном поле (рис.11.1) перемещать со скоростью v, то в проводнике по закону электромагнитной индукции будет возникать ЭДС E=B*l*v,

где B – магнитная индукция;

l – активная длина проводника;

119

120

v - скорость перемещения проводника, и ток (если проводник замкнут).

Направление ЭДС и тока определяется по правилу правой руки.

При появлении тока в проводнике на проводник будет действовать сила сопротивления движению F=B*l*I, направление которой определяется по правилу левой руки.

Машины постоянного тока обратимы. Каждая машина постоянного тока в принципе может работать и генератором и двигателем, но практически это применяют редко, так как некоторые конструктивные детали генератора и двигателя различны.

На рис.11.2 схематически показано устройство двухполюсной машины постоянного тока. Она состоит из неподвижной части – станины, выполняемой массивной из литой стали. К станине прикрепляются полюсы (электромагниты), на которых размещается обмотка возбуждения, назначение которой создавать магнитное поле. Между полюсами расположен якорь, имеющий форму цилиндра с пазами. Для уменьшения магнитных потерь якорь набирается из отдельных тонких штампованных листов электротехнической стали.

В пазах якоря укладывается якорная обмотка. На валу якоря укрепляется коллектор, состоящий из отдельных медных изолированных между собой пластин. Коллектор служит для выпрямления переменного тока проводников и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть.

Вгенераторах постоянного тока якорь приводится во вращение первичным двигателем. При вращении обмотка якоря пересекает магнитный поток полюсов, и в ней по закону электромагнитной индукции будет возникать ЭДС и ток.

Вдвигателях постоянного тока обмотку якоря подключают к сети постоянного тока. Проводники с током обмотки якоря, взаимодействуя с магнитным потоком полюсов, приводят якорь во вращение.

120

121

При вращении в магнитном поле в обмотке якоря будет индуктироваться ЭДС, направленная против якорного тока. Эта ЭДС в двигателях называется противо-ЭДС.

3.19. Обмотка якоря машин постоянного тока

На рис.11.3а показана принципиальная схема барабанной обмотки якоря с восьмью пазами, в каждом из которых заложен проводник. Такое минимальное число пазов взято для упрощения исследования.

Коллектор, жестко скрепленный с якорем, состоит из четырех пластин, причем в каждой пластине припаяны проводники якорной обмотки. На рисунке показано направление вращение якоря (вращение против часовой стрелки). При вращении якоря в нем индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки. Проследим электрическую цепь якорной обмотки. От точки А и нижней щетки ток через коллекторную пластину I поступает в проводник l H соединенный за

плоскостью чертежа с проводником I k , который припаян к пластине 4

коллектора. Далее ток проходит к проводнику 2, соединенному за плоскостью чертежа с проводником 2 , коллекторной пластине 3, затем в верхнюю щетку и выходит к зажиму Б. Таким образом, образуется электрическая цепь, показанная в верхней части рисунка 11.3б.

От зажима А и нижней щетки образуется также вторая параллельная ветвь, состоящая из проводников 3- 3 - 4- 4 , верхней щетки и зажима Б.

На рисунке показан путь тока по двум параллельным ветвям, образованным проводниками обмотки для положения якоря, представленного на рис.11.3а.

В каждом проводнике будет создаваться ЭДС e=B*l*v, а ЭДС каждой из параллельных ветвей определяется суммой ЭДС отдельных проводников. Так как в каждой ветви четыре проводника, то ЭДС ветви и, следовательно, якоря E=4e=4B*l*v или E=N B*l*v, если взять не четыре проводника, а N проводников.

121

122

Заменив в последнем выражении скорость v через обороты якоря и его радиус, а индукцию B через магнитный поток и сечение полюсов, получим ЭДС якоря в общем виде:

Е= С E *Ф*n, где С E - постоянный коэффициент; Ф - магнитный поток полюсов; n – скорость вращения якоря.

3.20. Назначение коллектора

При вращении якоря в магнитном поле в проводниках его обмотки индуктируется ЭДС, переменная по величине и направлению. Это видно из рис. 11.4а, на котором изображен виток из двух проводников, припаянных к

кольцам. При вращении витка в магнитном поле, применяя правило правой руки, можно убедиться в том, что через каждые ´ оборота направление ЭДС в проводнике меняется на противоположное, следовательно, через каждые ´ оборота будет меняться знак ЭДС на щетках, прижатых к кольцам (рис.11.4б). Если вместо двух взять одно кольцо, состоящее из двух изолированных между собой половинок, и припаять проводники витка к ним, как показано на рис.11.5 а, то, применяя то же правило правой руки, мы убедимся, что на щетках при вращении витка будет возникать переменная по величине, но постоянная по направлению, т.е. пульсирующая, ЭДС(рис. 11.5б).

Если принять кольцо не из двух половинок, а из многих частей (дуг), изолированных между собой, то на щетках получим ЭДС постоянного направления с пульсацией, сведенной к минимуму, т.е. практически выпрямленную ЭДС (рис.11.6). Такое кольцо, состоящее из многих медных частей (дуг), изолированных друг от друга, называется коллектором и в

122

123

машинах постоянного тока является механическим выпрямителем переменной ЭДС и тока в постоянную ЭДС и постоянный ток.

3.21.Реакция якоря

Вработе электрических машин важную роль играет явление, которое получило название «реакция якоря». Это явление проще всего понять, если применять принцип наложения магнитных полей полюсов

Буждеием аналогична характеристике генератора с независимым возбуждением (рис. 11.12).

На рисунке 11.15 показана внешняя характеристика генератора постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения. С ростом тока нагрузки

Рис. 11.14. Рис.11.15.

Ток якоря увеличивается, так как

Ia I H Iâ

А напряжение на зажимах будет уменьшатся:

Уменьшение напряжения приводит к снижению тока возбуждения, так как

А это приводит к уменьшению потока возбуждения и ЭДС E, а следовательно, согласно (11.4) ещѐ больше уменьшает напряжение. Кроме того, с увеличением тока якоря увеличивается реакция якоря, которая также ведет к сжижению напряжения генератора.

На рисунке 11.15 обозначен наибольший ток нагрузки Iкр (критическое значение тока) , при котором происходит резкое снижение напряжения генератора.( Iкр ≈(2÷2.5)Iном )

При коротком замыкании генератора U=0 и ток возбуждения Ib=0. При этом остаточный магнитный поток будет индуктировать в обмотке якоря небольшую ЭДС, которая ызовет сравнительно небольшой ток короткого замыкания Iкз, меньший номинального тока. Сравнивая рисунки 11.15 и 11.13, видим, что внешние характеристики генераторов параллельного и независимого возбуждения отличаются между собой, особенно резкое отличие наступает при токах нагрузки, превышающих номинальные токи.

Регулировочной характеристикой называется зависимость тока возбуждения от тока нагрузки якоря Iв=f(Iн),при неизменном напряжении

123