Мороз_Электротехника

124

на зажимах U = const и постоянной скорости вращения n=const. На рис.11.16 приведена регулировочная характеристика генератора

постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения. Кроме генераторов независимого, и параллельного возбуждения в народном хозяйстве для специальных целей применяются еще генераторы последовательного и смешанного возбуждения.

Рис. 11.16.

11.11. Двигатель постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения Как уже отмечалось, машины постоянного тока обратимы. Если генератор постоянного тока отделить от механического двигателя и подключить якорь к

сети, в его проводниках будут протекать токи, которые, взаимодействуя с основным магнитным полем, создают вращающий момент. Машина начинает работать двигателем, выполняя механическую работу.

Двигатели постоянного тока, как и генераторы, классифицируются по способу подключения обмотки возбуждения.

На рис.11.17 приведена схема двигателя постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения. В цепь якоря при пуске двигателя вводится пусковой реостат, назначение которого будет рассмотрено далее. В отличии от генератора на схеме двигателя направления ЭДС и тока направлены в разные стороны.

При вращении якоря электродвигателя обмотка его пересекает магнитное поле и в ней по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС. Направление этой ЭДС (которое можно определить по правилу

124

125

правой руки) будет противоположно напряжению сети, поэтому она называется противо-ЭДС. Величина противо-ЭДС зависит от скорости вращения двигателя и величины магнитного потока возбуждения:

E CE Ô n

Где СE - коэффициент пропорциональности; n – скорость вращения;

Ф- магнитный поток.

Для якорной электрической цепи двигателя, состоящей из обмотки якоря, к которой подведено напряжение сети, справедливо уравнение :

При пуске электродвигателя, когда У[у =0 и противоэлектродвижущая будет недопустимо

велика поэтому на время пуска последовательно в цепь якоря вводят пусковой реостат, тогда

Пусковой реостат подбирают таким образом, чтобы I япуск 2 3Iíîì . По мере увеличения скорости вращения электродвигателя растет противоэлектродвижущая си л а, сопротивление пускового реостата плавно выводят и в конце пуска сопротивление этого реостата выводят полностью.

125

126

3.22. Механическая характеристика двигателя постоянного тока с параллельной обмоткой возбуждения

Механическая характеристика представляет зависимость скорости вращения

Выражение (11.10) показывает зависимость скорости вращения двигателя от тока якоря, а ток якоря растет с момента нагрузки.

Скорость уменьшается с увеличением тока I ÿ , при Ф=const.

Выразим величины I ÿ и Ф через вращающий момент, который нетрудно

получить из выражения для силы взаимодействия между током в проводнике и магнитной индукцией F=BlI. Умножим лувую и правую часть этого выражения на радиус силы F:

Учитывая, что якорная обмотка двигателя имеет не один, а несколько проводников W с током Iя , и выразив магнитную индукцию B через магнитный поток Ф и сечение магнитной цепи, а также заменив произведение всех постоянных величин одним постоянным множителем См получим следующее выражение для момента:

Из которого видно, что вращающий момент двигателя пропорционален магнитному потоку Ф и току якоря Iя . подставляя выражение момента из (11.12) в (11.10), получим

126

Первый член в выражении (11.13) является постоянной величиной при постоянном напряжении сети. Второй член по сравнению с первым значительно меньше по величине, и, следовательно, можно сделать вывод, что скорость двигателя n мало зависит от момента М, так как при нормальной установившейся работе двигателя вращающий момент равен моменту сопротивления на валу, следует вывод, что скорость двигателя с параллельным возбуждением мало изменяется с увеличением механической нагрузки на валу. Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения приведена на рисунке

11.18.

Рис.11.18.

Скоростная характеристика двигателя с параллельной обмоткой возбуждения

Из выражения 11.13 видно, что скорость двигателя обратно пропорциональна величине магнитного потока Ф . Но магнитный поток зависит от тока возбужденияIb. Следовательно, меняя сопротивление регулировочного реостата / РР/ в цепи возбуждения рис 11.17, можно менять магнитный поток Ф и таким образом регулировать скорость двигателя с обратной зависимостью.

На рисунке 11.19 приведена скоростная характеристика двигателя постоянного тока параллельного возбуждения. Уменьшая ток возбуждения Iв мы уменьшаем магнитный поток Ф и увеличиваем частот вращения n.

127

128

Рис.11.19.

11.14. Двигатель постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения На рисунке 11.20 приведена схема двигателя постоянного тока с

последовательной обмоткой возбуждения

У этих двигателей обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно, значит, ток якоря и ток возбуждения в этом двигателе один и тот же: Iя=Iв

Рис 11.20.

Механическая характеристика двигателя постоянного тока с последовательной обмоткой возбуждения

До насыщения стали магнитный поток возбуждения двигателя пропорционален току якоря:

Ô ÑÔ I ÿ , где СФ – коэффициент пропорциональности.

128

129

Заменив в выражении вращающего момента 11.12 магнитный поток через ток якоря Iя , получим

Выражение 11.16 показывает, что ток якоря в двигателях последовательного возбуждения, в отличие от двигателей параллельного возбуждения,

Так как обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены последовательно, то скорость двигателя вместо 11.10/ запишется иначе:

Ф=СФIя

Выразив в 11.17 ток якоря Iя через магнитный поток, а магнитный поток через момент и сделав соответствующие преобразования, получим

Из 11.18 видно, что скорость двигателя обратно пропорциональна корню квадратному из величины момента.

Механическая характеристика двигателя с последовательным возбуждением приведена на рис. 11.2I. На этом же рисунке приведена кривая изменения

129

130

магнитного потока Ф , а следовательно, в ином масштабе и якорного тока, поскольку

Ф=СФIя

Сравнивая механические характеристики рис. 11.18 и рис.11.21 видим значительную разницу их. Если в двигателе параллельного возбуждения скорость мало зависит от момента М и, следовательно, от механической нагрузки на валу, то в двигателях последовательного возбуждения скорость резко падает с увеличением нагрузки. Двигатели с такой характеристикой находят широкое применение на транспорте, т.к. имеют большой пусковой момент при пуске под нагрузкой. Кроме того, они не создают больших толчков тока в питающей сети при резком возрастании тормозного момента или момента сопротивления.

Рис.11.21.

.Синхронные машины 3.23. Устройство и принцип действия синхронных машин

Трехфазный синусоидальный электрический ток вырабатывается на электростанциях, которые оборудованы синхронными генераторами.

Синхронной машиной называется машина, скорость вращения которой постоянная и определяется при заданной частоте переменного тока числом пар полюсов Р. Устройство статора синхронной машины не отличается от устройства статора асинхронной машины, в нем также имеется три фазные обмотки, сдвинутые одна по отношению к другой на 120 0 электрических градусов, т.е. при р = I на 1/3 окружности. Ротор-индуктор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоянным током возбуждения от внешнего источника. Постоянный ток подводится к ротору через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам (рис. 12.1).

Ротор создает постоянное магнитное поле, которое при вращении, пересекая обмотки статора, индуктируют в них трехфазную э.д.с. и если есть нагрузка, то и синусоидальный трехфазный ток. Из теории синусоидального

переменного тока известно, что

Рис.12.1.

130

131

частота тока связана со скоростью машины и числом пар полюсов

конструкции синхронных машин.

Основным требованием, предъявляемым к синхронным машинам, является необходимость строгого соблюдения постоянства частоты переменного тока f =

50 Гц.

Роторы синхронных машин целятся на два типа: явнополюсные (рис. 12.2)и неявнополюсные (рис. 12.2, б).

Для быстроходных машин /паровая турбина/ применяется неявнополюсный ротор. Это стальной цилиндр с пазами, в которых размещена обмотка возбуждения постоянного тока. Скорость вращения быстроходных генераторов составляет 3000 и 1500 об/мин.

Явнополюсный ротор применяется для тихоходных машин. Гидрогенератор Днепровский ГЭС, например, имеет n =83,3 об/мин но при числе пар полюсов р – 36.

3.24. Реакция якоря Основной постоянный магнитный поток синхронного генератора создается

обмоткой ротора /Фв/, и он неподвижен относительно ротора и вращается вместе с ротором.

Когда генератор работает под нагрузкой, то ток трехфазного статора создает свой магнитный поток Фв, который указывает влияние на основной магнитный поток. Воздействие магнитодвижущей силы статора на поле ротора называется реакцией якоря. Таким образом, общий магнитный поток машины будет создаваться результирующей магнитодвижущей силой, созданной м.д.с. обмотки возбуждения и м.д.с. обмотки статора. Ф=Фв+Фя

Рассмотрим действие реакции якоря при различных нагрузках генератора /рис. 12.3/. При активной нагрузке ток в обмотке статора совпадает по фазе с э.д.с.

(рис.12.3), индуктируемой в обмотке статора, при этом вектор потока якоря Фс будет перпендикулярен вектору потока ротора Фв , образуя результирующий вектор потока, равный их геометрической сумме. При индуктивной нагруз-

131

132

Рис. 12.3.

ке /рис. 12.3, б/ ток отстает что фазе от э.д.с. на угол 90°, поэтому при направлении тока в статоре, одинаковом с рис. 12.3, а, положение ротора и его потока должно быть опережающим на угол 90 °. В этом случае поток якоря

направлен против потока ротора и, следовательно, оказывает на него размагничивающее действие.

Т.е.индуктированная нагрузка уменьшает результирующий магнитный поток Ф результирующую ЭДС Е.

3.25 Схема замещения синхронного генератора Явления, сопровождающие работу синхронного генератора и его

характеристики, станут более понятными при изучении их по схеме замещения. На рис. 12.4 приведена такая схема для одной фазы.

На схеме показаны э.д.с, возникающие в синхронном генераторе при нагрузке. К ним относятся:

1) основная э.д.с. Е , индуктируемая потоком ротора Фв в фазе обмотки статора;

2) Э. Д.С, реакции якоря Ерс индуктируемая потоком Фс возбуждаемым

током статора. Э.д.с Ер.с является э.д.с самоиндукции, она отстает от потока Фс

на угол 900 и может быть выражена как произведение Хс и тока статора Ic:

E pc jXc I ÿ

3)Э.д.с. самоиндукции Е’рас, возбуждаемая потоком рассеяния

статорной обмотки, равная Е’рас=-jXрас·Ic На схеме обозначено также активное

сопротивление обмотки одной фазы r, и напряжение U на зажимах генератора. Составим уравнение по второму закону Кирхгофа для контура /рис. 12.4/:

E E ðàñ Å ðàñ r I U , отсюда

132

133

E r I j( Xc Xðàñ) I U или,

заменив сумму Xc+Xpac через сопротивление X , которое получило название синхронное индуктивное сопротивление машины получим

Обычно активное сопротивление обмотки генератора значительно меньше его индуктивного сопротивления r<< X , поэтому если пренебречь им, выражение /12.1/ упростится:

где U=constнапряжение сети, должно быть все время неизменным, а E генератора будет изменятся в зависимости от изменения тока нагрузки I.

В соответствии с этим выражением на рис. 12.5 показана упрощенная схема замещения синхронного генератора с подключенной к нему нагрузкой. Для этой электрической цепи, согласно /12.2/, построим упрощенную векторную диаграмму синхронного генератора

Начнем построение диаграммы с вектора напряжения U и тока якоря. Знак и величина угла φ между этими векторами зависит от характера нагрузки генератора. Диаграмма на рис. 12.6 построена для случая активноиндуктивной нагрузки .

Θ- угол сдвига между осью полюсов ротора и результирующего магнитного

поля.

На векторной диаграмме рис. 12.6 Фя- поток реакции якоря; Фрас поток

рассеяния; Ô ÿ' Ô ÿ Ô ð. ÿ -сумма этих

потоковпоток, создаваемый обмоткой статора.

Результирующий магнитный поток Ф, реально существующий в машине, равен геометрической сумме потоков обмотки статора и потока возбуждения ротора Фв:

Ô Ô ÿ' Ôâ

133