Ответы по госам / otvety_Elektromekhanika

1. Неподвижная часть МПТ – индуктор, состоит из полюсов 1 и стального ярма, к которому крепятся полюса. Вращающаяся часть состоит из укреплённого на волу якоря 2 и коллектора 3. Якорь состоит из сердечника, набранного из электротехнической стали, и обмотки, укреплённой на сердечнике. На коллектор наложены две неподвижные щётки 4, с помощью которых обмотка соед с внешней цепью. Принцип действия электрической МПТ может быть рассмотрен на примере простейшего генератора ПТ. Он представляет собой рамку, содержащую w витков, и вращающуюся с частотой ω в постоянном магнитном поле, создаваемом постоянным магнитом или электромагнитом. По закону электромагнитной индукции: e=d(w*B*S)/dt, при изменении во времени хотя бы одна из величин, стоящих в числителе формулы возникает ЭДС. В МПТ изменяется площадь сцепления обмоток якоря с полем возбуждения из-за вращения ротора. Чтобы во внешней цепи ток протекал в одном направлении, он должен быть выпрямлен. Для этого служит электромеханический выпрямитель - коллектор. Напряжение постоянного тока на зажимах генератора будет меньше ЭДС якоря (Еа) на велечину падения напряжения на якоре: Ua=Ea-Ia*Ra. Проводники обмоток якоря находятся в магнитном поле, и поэтому на них будут действовать электромагнитные силы, которые создают механический электромагнитный момент Мэм. Мэм=B*l*Da*Ia, где Da – диаметр якоря, В – магнитная индукция в воздушном зазоре, l – активная длинна проводника. Скорость вращения якоря: n=f/p, где р – число пар полюсов. Каждая МПТ может работать в режиме генератора и двигателя, такое свойство называется принципом обратимости. Для перехода из одного режима в другой, достаточно изменить направление тока в якоре.

3. ДПТ находят широкое применение в промышленных и др установках, где требуется широкое и плавное регулирование скорости вращения. По способу возбуждения ДПТ делятся на: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения. Согласно энергетической диаграмме, мощность, поступающая на вал P2, будет меньше электромагнитной мощности на величину потерь в стали Pмг и механических потерь Pмх. Вращающий момент (момент на валу) будет соответственно меньше электромагнитного момента. Электромагнитный момент двигателя Мэм=М0+Мв+Мдин. В двигателях направление действия ЭДС (Еа) противоположно действию тока Ia, поэтому Ia так же называется противодействующей силой якоря: U=Ea-Ia*Ra. Из этого уравнения следует: Ia=(U-Ea)\Ra. Двигатель с параллельным возбуждением. Схема двигателя с параллельным возбуждением представлена Пусковой реостат здесь имеет три зажима. Один из них (ручка реостата) присоединяется к сети; другой (конец пускового сопротивления) — к якорю; третий (полоска, по которой скользит ручка реостата) — к обмотке возбуждения или через регулировочный реостат R_p, или непосредственно. Двигатель с последовательным возбуждением. Схема двигателя с последовательным возбуждением приведена на рис.Здесь ток возбуждения равен току якоря. Вследствие этого при малых насыщениях, когда можно считать I_a, вращающий момент двигателя пропорционален квадрату тока см. рис. При больших значениях тока, когда стальные участки магнитной цепи насыщаются, момент двигателя почти пропорционален току. Двигатель со смешанным возбуждением Схема двигателя со смешанным возбуждением представлена на рис. Обычно последовательная обмотка включается согласно с параллельной таким образом, чтобы ее н.с. складывалась с н.с. параллельной обмотки В этом случае скорость вращения двигателя при увеличении нагрузки будет более резко падать, чем у двигателя с параллельным возбуждением и менее резко, чем у двигателя с последовательным возбуждением.

.

5.

 В схеме замещения переменным параметром является сопротивление ; остальные ее параметры можно считать постоянными. Они могут быть определены путем расчета, а также опытным путем. В последнем случае обращаются к данным опытов холостого хода и короткого замыкания.

7. Опыт кз. Вторичные обмотки замыкаются накоротко, а к первичным во избежание перегрева и повреждения тр-ра подводится пониженное U с таким расчётом чтобы ток находился в пределах Uном. Из данных опыта, для однофазного тр-ра опр след величины: zк=Uк/Iк; rк=Pк/Iк^2; xк=√(zк^2-rк^2). А так же коэффициент трансформации: k=ω1/ω2. И коэффициент мощности хх: cosφк=Pк/(Uк*Iк). Для трёхфазного тр-ра по показаниям трёх амперметров и вольтметров определяется среднее значение линейного тока Iкл и линейного Uкл, и мощность трехфазного кз Pк. Необходимо принять во внимание схему соединения обмоток. При соединении в Y: zк=Uкл/√(3*Iкл); rк=Pк/(3*Iкл^2); xк=√(zк^2-rк^2). При соединении в Δ: zк=√(3*Uкл)/Iкл; rк=Pк/Iкл^2; xк=√(zк^2-rк^2). Напряжение Uк=Uкн при котором Iк=Iн, носит название напряжения кз и обозначается uк. Это напряжение характеризует значение активных и индуктивных сопротивлений рассеяния трансформатора и является важной характеристикой. Значение uк% указывается в паспортных данных.

2. Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания и т.д. Генераторы постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и самовозбуждением. Генераторы первого типа выполняются с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением. В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения, располагаемая на главных полюсах, подключается к независимому источнику питания (рис. 1, а). Ток в цепи возбуждения Iв может изменяться в широких пределах с помощью переменного резистора Ra. Генераторы с магнитоэлектрическим возбуждением возбуждаются постоянными магнитами, из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности, которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.У генераторов с самовозбуждением обмотка возбуждения получает питание от собственного якоря. В зависимости от способа ее включения генераторы с самовозбуждением подразделяются на генераторы с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

Уравнение баланса мощностей.

 К генератору от двигателя, приводящего во вращение его якорь ,подводится механическая мощность P₁. Большая часть этой мощности преобразуется в электромагнитную P_эм, а другая ее часть расходуется в генераторе на покрытие механических потерь P_мх(трение в подшипниках, вентиляцию), магнитных потерь в стали якоря P_м и добавочных потерь P_д:

P₁ = P_эм + P_мх.+ P_м + P_д. ; E I_a=P_{эм ;} I²_aΣr_a= P_э,а

Уравнение равновесия моментов

М₁ = М + (P_мх.+ P_м + P_д)/Ω.

Ω=2πn/60- угловая скорость якоря.

4. Тр-тор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного тока одного напряжения, в переменный ток другого напряжения той же частоты. Тр-тор состоит из первичной, вторичной обмоток и ферромагнитного магнитопровода. При подкл первичной обмотки тр-ра к сети с синусоидальным U1, в обмотке возникает ток I1, который изменяет магнитный поток Ф, замыкающийся в магнитопроводе. Поток Ф индуктирует ЭДС как в первичной, так и во вторичной обмотках. При подкл ко вторичной обмотке нагрузки в этой обмотке возникает ток I2 и на её зажимах устанавливается U2. По конструкции магнитопровода тр-ры делятся на стержневые и броневые. Магнитопровод состоит из стержней и ярм. По способу сочленения стержней и ярм различаются тр-ры со стыковым и шихтованным соединением. Обмотки изготавливают из меди или алюминия. Обмотки масляных тр-ров изготавливают из проводов с эмалевой и хлопчатобумажной изоляцией (круглые сечения), или кабельной бумаги и хлопчатобумажной пряди (квадратные сечения). Обмотки бывают многослойные, двухслойные, однослойные, винтовые, цилиндрические, непрерывные спиральные.

6. Опыт хх. По данным опыта холостого хода определяются коэффициент трансформации , магнитные потери Р_с и параметры ветви намагничивания z12, r12, x12. Магнитные потери Р_с, как указывалось, могут быть приняты равными мощности Р₀, потребляемой трансформатором при холостом ходе.При опыте холостого хода собирается схема по рис. 2-18 для однофазного трансформатора или по рис. 2-19 для трехфазного трансформатора. При номинальном напряжении U_1H (линейном в случае трехфазного трансформатора) измеряют I₀,P₀ и U₀.Опыт холостого хода должен производиться при синусоидальном напряжении. Если напряжение заметно отличается от синусоидального, то в данные измерений необходимо внести некоторые поправки (согласно ГОСТ). При исследовании малых трансформаторов следует учитывать потери в приборах, так как они могут быть соизмеримы с потерями холостого хода.

 Измерения U₁ и U₂₀ производятся при помощи вольтметров или при высоком напряжении, при помощи вольтметров и измерительных трансформаторов напряжения. По данным измерений находят коэффициент трансформации: U₂₀/U_{1=W 1}/w₂. По амперметру и ваттметру находят ток I₀ и мощность P₀ в случае однофазного трансформатора. В случае трехфазного трансформатора необходимо измерить токи во всех трех фазах, так как вследствие несимметрии магнитных цепей отдельных фаз токи в них будут различны. За ток холостого хода здесь принимается среднее арифметическое токов отдельных фаз, т. е.

Мощности отдельных фаз также различны; поэтому мощность, потребляемую трехфазным трансформатором при холостом ходе, следует измерять двумя ваттметрами по схеме2. Для нормальных силовых трансформаторов ток холостого хода составляет (0,10—0,04) I_Н при номинальных мощностях от 5 до нескольких тысяч киловольт-Ампер.Холостому ходу будет соответствовать схема замещения при z^,=∞. Следовательно, по данным опыта холостого хода получаем:

8. В большинстве случаев обмотки тр-ров соединяют в Y0, Y или Δ. Выбор схемы зависит от ряда причин. Для сетей с U=35кВ и более, выгодно соединять обмотку тр-ра в звезду и заземлять нулевую точку, что приводит к снижению стоимости изоляции, т.к. U тр-ра и ЛЭП относительно земли будет в √3 раз меньше линейного. Осветительные сети работают на низком U, поэтому вторичные обмотки тр-ра соединяют в звезду, а лампы вкл в фазное U, тк в случае, когда ток не велик, обмотки при соединении в Y получаются более дешёвыми, тк кол-во витков уменьшается в √3. При большом влиянии высших гармоник и при нессиметричных нагрузках, рекомендуется вкл 1 из обмоток в Δ. Так же применяется соединения обмоток зигзагом, когда части обмоток разделяются на 2 части, и обмотки которые располагаются на разных стержнях соединяются последовательно. Группы обмоток: Для вкл тр-ра на параллельную работу с другим тр-ром имеет значение сдвиг фаз между ЭДС первичной и вторичной обмоток. Для характеристики этого сдвига вводится понятие о группе соединения обмоток. Для обозначения сдвига фаз обмоток тр-ра векторы линейных ЭДС уподобляют стрелкам часового циферблата, причём вектор обмотки ВН принимают за минутную стрелку, и считают что на циферблате она направлена на 12 часов, а вектор обмотки НН принимают за часовую. Например Y\Y-0, Y\ Δ-11, I\I-6.

9. Параллельное соединение трансформаторов необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения при выключении трансформаторов для ремонта. Далее оно целесообразно в тех случаях, когда мощность нагрузки сильно изменяется в течение суток; тогда можно в зависимости от общей нагрузки оставлять в работе столько трансформаторов, чтобы потери в них были наименьшими. При расширении подстанций, а также на мощных подстанциях устанавливается несколько трансформаторов, которые включаются на параллельную работу. При такой работе обмотки трансформаторов с первичной и вторичной стороны присоединяются к общим шинам.

Схема включения на параллельную работу трансформаторов

Для достижения наилучших условий параллельной работы тр-ров необходимо: 1) одинаковые группы соединения обмоток (|| вкл тр-ров с разными группами обмоток недопустимо, т.к. уравнительные токи в этом случае равносильны токам короткого замыкания), 2) равные коэффициенты трансформации (ГОСТом допускается разница в 0.5%, т.к. уже при разнице в 1% уравнительные токи достигают значительных величин), 3) равные Uкз. Если первые два условия соблюдены, то вторичные напряжения соответствующих фаз || вкл тр-ров на хх будут равны по значению и по фазе и не возникнет никаких токов. В противном случае уже на хх возникнут уравнительные токи Iу. Уравнительные токи вызывают неравномерную нагрузку, а так же излишние потери и нагрев тр-ра. Соблюдение третьего условия обеспечивает равномерное распределение нагрузки.

11. Схема замещения асинхронной машины – это искусственно построенная электрическая схема, с достаточной степенью точности отображающая все процессы, происходящие в реальной машине. Сложные магнитные связи заменяют в схеме замещения электрическими, упрощая этим исследования машин (как аналитические, так и графические).

Полная Т-образная схема замещения асинхронного двигателя

а) отличается от схемы замещения асинхронной машины с заторможенным ротором только наличием чисто активного сопротивления нагрузки, зависящего от скольжения. Таким образом, и в этом случае теория асинхронной машины сведена к теории трансформатора.

Схеме замещения соответствуют уравнения напряжений:

статорной обмотки (такого же вида как, у трансформатора):

б) для короткозамкнутой роторной обмотки:

в) для фазного ротора

Г-образная схема замещения

В отличие от трансформатора асинхронный двигатель, являясь приемником энергии, должен рассматриваться при неизменном напряжении на зажимах: U₁=Const.. В этом случае в Т-образной схеме замещения происходит изменение токов не только главной цепи, но и в цепи намагничивания, и поэтому все токи I₁, I₂ и I₀ зависят от режима работы, т. е. изменяются при изменении скольжения (в реальной асинхронной машине при неизменном напряжении сети ток холостого хода I₀=Const). Для того чтобы сохранить намагничивающий ток независимым от нагрузки машины, переходят от Т-образной к Г-образной схеме замещения, в которой намагничивающий контур выносят на зажимы цепи таким образом, чтобы токи I₀₀ и I₁ оставались прежними, как и в Т-образной схеме. Ток главной цепи преобразованной схемы с учетом значений токов холостого хода и статорной обмотки

Полученным соотношениям токов соответствует Г-образная схема замещения, представленная на рисунке.

13. Устройство и принцип действия СМ. Обмотка статора СМ выполняется с тем же числом полюсов что и ротор, и называется якорем. Ротор СМ имеет обмотку возбуждения, питаемую через два контактных кольца и щётки постоянным током от постоянного источника. В качестве источника служит генератор постоянного тока, относительно небольшой мощности, который называется возбудителем. Назначение ОВ – создание в машине первичного магнитного поля. Ротор вместе с ОВ называется индуктором. Если ротор СМ привести во вращение с некоторой скоростью n и возбудить его, то поток возбуждения Фf будет пересекать проводники обмотки статора и в фазах статора будут индуцироваться ЭДС с частотой f=pn.Машина при этом будет работать в режиме генератора. СМ может работать в качестве двигателя, если к обмоткам статора подвести ток. По своей конструкции СМ подразделяются на явнополюсные и неявнополюсные. Явнополюсные: с числом поюсов 2p>4, такие машины оснащаются демпферной обмоткой (успокоительной). Применение: гидрогенератороы. Неявнополюсные СМ: имеют цилиндрический ротор, выполняемый обычно из массивной стальной паковки. В роторе фрезеруются пазы для укладки обмотки возбуждения. Такие СМ имеют 2р=2 и 2р=4, 3000 об/мин и 1500 об/мин. Применение: турбогенераторы.

15.Угловой характеристикой активной мощности СМ называется зависимость P=f(0) при E=const и U=const. P=((m*E*U)/xd)*sinσ+((m*U^2)/2)*(1/xq-1/xd)*sin2σ – выражение угловой характеристики мощности. Неявнополюсная машина: Предположим, что машина работает параллельно с сетью бесконечной мощности, поэтому U=const, f=const и if=const. У неявнополюсной машины xd=xq, поэтому P=((m*E*U)/xd)*sinσ. Свойства СМ в двигательном и генераторном режиме аналогичны. Поэтому рассмотрим режим генератора. Согласно рис при увеличении P от 0 угол σ будет расти от σ=0 и при критическом угле σкр=90 достигается максимум мощности P=Pm, которую способен развить генератор. Pм=((m*E*U)/xd). Работа неявнополюсного генератора устойчива в области 0<σ<90 и неустойчива 90<σ<180. Невозбуждённая явнополюсная машина. Если if=0, то и E=0, тк в нормальных машинах ЭДС от остаточного потока пренебрежимо мала. P=((m*U^2)/2)*(1/xq-1/xd)*sin2σ – зависимость P=f(σ) представляет собой синусоиду с удвоенной частотой. Устойчивая работа в режиме генератора происходит при 0<σ<45. Возбуждённая явнополюсная машина. В этом случае оба члена равенства отличны от 0 и машина развивает мощность как за счёт электромагнитного момента, создаваемого потоком возбуждения, так за счёт и реактивного электромагнитного момента.

10. Асинхронная машина, как и любая электрическая машина, обратима и может работать в двигательном и генераторном режимах. В подавляющем большинстве случаев асинхронные машины применяют в качестве двигателей, генераторный режим используют для торможения. Асинхронная машина состоит из неподвижного статора и вращающегося ротора. Основными элементами статора являются станина, представляющая собой остов машины, запрессованный в нее сердечник и подшипниковые щиты. Станина имеет сварную или литую конструкцию. В зависимости от степени защиты от окружающей среды и способа охлаждения наружная поверхность станины может быть гладкой или ребристой. Заодно со станиной отливают или приваривают к ней лапы для крепления машины к фундаменту. Для обеспечения надежной работы машины станину выполняют достаточно жесткой и прочной. В станину запрессовывают сердечник статора, имеющий полную цилиндрическую шихтованную конструкцию. С целью уменьшения потерь на вихревые токи его набирают из отштампованных изолированных листов специальной электротехнической стали толщиной 0,5 или 0,35 мм. В машинах средней и большой мощности для улучшения охлаждения сердечник статора набирают из пакетов, между которыми имеются радиальные вентиляционные каналы. В выштампованных изолированных пазах сердечника статора уложена обмотка с соответствующей изоляцией. Выводы фазных обмоток статора расположены в выводной коробке, размещенной на станине. На торцах станины имеются специальные заточки для посадки и центрирования подшипниковых щитов. На станине расположены один или два рым-болта, используемые при транспортировании и монтаже машины. Вращающаяся часть машины — ротор состоит из шихтованного сердечника, насаженного на вал. Вал вращается в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах. Сердечник ротора, как и сердечник статора, набирают из изолированных листов электротехнической стали с выштампованными пазами. В пазах ротора расположена обмотка. По конструкции обмотки ротора асинхронные машины подразделяют на машины с короткозамкнутым и фазным роторами. Наиболее распространены асинхронные машины с алюминиевой короткозамкнутой обмоткой ротора(«беличья клетка»). Алюминий под давлением заливают в пазы ротора. При этом одновременно, как одно целое, отливают расположенные в пазах стержни и короткозамыкающие кольца вместе с вентиляционными лопатками. Короткозамкнутая обмотка может быть выполнена из медных или латунных стержней, запрессованных в пазы ротора, замкнутых с торцов приваренными к ним короткозамыкающими кольцами.

Машина с фазным ротором: на внутренней поверхности статора и ротора имеются пазы, в которых размещается проводники обмоток статора и ротора Концы фаз обмотки ротора соединятся в звезду, а начала, с помощью контактных колец и щёток выводятся наружу. Машина с короткозамкнутым ротором: обмотка ротора выполняется в виде беличьего колеса. При этом в каждом пазу находится медный или алюминиевый стержень и концы всех стержней с обеих торцов замкнуты накоротко кольцами.

12. Механическая характеристика для АД представляет собой зависимость скорости вращения n от развиваемого момента на валу M2 при U1=const и f1=const. Вид механических характеристик зависит от вторичного активного сопротивления. При круто поднимающейся начальной части кривой момента, асинхронный двигатель обладает жёсткой механической характеристикой, т.е. при изменении нагрузки, скорость двигателя изменяется не значительно. Отношение максимального момента к минимальному, при номинальном U, определяет перегрузочную способность двигателя, и называется кратностью максимального момента kм=Mm/Mн. Требуется чтобы kм>1,7..2,2. Короткозамкнутые АД должны иметь при пуске под номинальным U кратность начального пускового момента (s=1, n=0), kп=Mп/Мн не менее 0,7..1,8. Кратность пускового тока kпi=I1п/I1н, для двигателей с кз ротором должна быть не больше 5,5..7. У двигателей с фазным ротором можно пускать в ход с помощью реостата, включенного на время пуска во вторичную цепь двигателя. При этом пусковой ток уменьшается, а момент увеличивается.

14. Характеристика хх, определяет зависимость U=f(i1) при I=0 и f=fn. В режиме хх E=U. Если характеристику хх различных СГ отобразить в ОЕ, то они практически не будут отличаться друг от друга. Поэтому для упрощения расчётов принимается что характеристика хх всех гидрогенераторов, а так же турбогенераторов выраженная в ОЕ соответствует некоторым средним данным реальных генераторов. Такие характеристики хх называют нормальными. Характеристика кз снимается при замыкании зажимов всех фаз якоря накоротко (симметричное кз) и определяет зависимость I=f(i1) при U=0 и f=fн. Если пренебречь незначительным активным сопротивлением якоря (ra=0), то сопротивление цепи якоря в режиме кз будет чисто индуктивным. Внешняя характеристика определяет зависимость U=f(I) при if=const, cosφ=const, f=fн и показывает, как изменяется напряжение машины U при изменении нагрузки и неизменном токе возбуждения. Регулировочная характеристика определяет зависимость if=f(I) при U=const, cosφ=const, f=const и показывает как нужно регулировать ток возбуждения СГ, чтобы при изменении нагрузки его напряжение оставалось неизменным. Нагрузочная характеристика определяет зависимость U=f(if) при I=const, cosφ=const, f=const и показывает как изменяется напряжение U с изменением тока возбуждения if. Наибольший интерес представляет индукционная нагрузочная характеристика, которая соответствует чисто индуктивной нагрузке генератора.

16. 1) Система возбуждения с генераторами постоянного тока. Классическая система возбуждения СМ, состоит из возбудителя в виде генератора параллельного возбуждения на общем валу с СМ. Гидрогенераторы имеют возбудитель на одном валу с генератором, но получаются большими, и обладают большой инерцией, что снижает эффективность автоматического регулирования возбуждения, поэтому применяются системы в виде отдельного быстроходного генератора, состоящего из АД и генератора постоянного тока. Турбогенераторы мощностью до 100МВт так же имеют генератор постоянного тока на своём валу. 2) Компаундная система возбуждения с возбудителем постоянного тока. Т.к. в обмотке якоря СМ протекает переменный ток, а в обмотке возбуждения постоянный, то в схемах применяются полупроводниковые выпрямители. 3) Система возбуждения с генераторами переменного тока и выпрямителями. Вспомогательный СГ нормальный частоты и возбудитель расположены на одном валу с главным генератором, а выпрямитель управляется регулятором возбуждения сильного действия. Гашение поля осуществляется переводом выпрямителя в инверторный режим для передачи мощности от обмоток возбуждения главного генератора к вспомогательному. 4) компаундированные генераторы с самовозбуждением. Энергия для возбуждения берётся из цепи якоря самого генератора.