
- •3.6.4 Регулировочная характеристика сг
- •Основные потери:
- •Добавочные потери:
- •3.8 Угловые характеристики сг
- •3.9 Синхронная машина в двигательном режиме
- •Отличия сд от сг:
- •4.2.2 Принцип действия электродвигателя
- •4.5 Обмотки якоря электрических машин
- •4.5.1 Простая петлевая обмотка (параллельная)
- •Воздействие магнитного поля якоря на результирующее магнитное поле машины называется реакцией якоря.
3.9 Синхронная машина в двигательном режиме
Если
приводным двигателем (ПД) вращать ротор
СГ со скоростью w1,
а
нагрузку установить такой, что угол
нагрузки будет равен θ (см.рис.85), то
вращающий момент ПД будет равен:
М1 = М0 + М'; (225)
где
М0
- момент СГ при режиме хол.хода;
М'- электромагнитный момент СГ при угле нагрузке θ
Если уменьшать нагрузку генератора, т.е. угол θ , будет уменьшаться и момент М1 приводного двигателя, тогда в соответствии с угловой характеристикой на рис.85 будет уменьшаться момент М и ток І1
Когда М = 0, то М1 = М0 ; а угол θ = 0, І1 = 0, т.е. СГ войдет в режим холостого хода.
Если
в этот момент отсоединить от СГ приводной
двигатель, обмотку статора подключить
к сети трехфазного переменного напряжения,
а на валу ротора создать момент нагрузки
М2,
тогда продольная ось ротора dd
сместится относительно оси магнитного
поля статора в сторону отставания на
угол - θ
( в обмотке статора за счет ЭДС ∆
Е = Е0
+ U1
появится
ток І1,
который и создаст вращающееся магнитное
поле статора, от оси которого и будет
отставать ротор)
Появится магнитная сила притяжения между разноименными полюсами поля статора и поля возбуждения, тангециальная составляющая которой и создаст электромагнитный момент М" (см.рис.85).
Этот момент и приведет ротор во вращение, т.е. СМ перейдет в двигательный режим и в этом случае будет называться синхронным двигателем (СД). Угловая характеристика СД показана в третьем квадранте на рис.85, описываться она будет выражением:
m1
Е0U1
m1U12
1 1
МЯСД = МОСН + МР = __________ sin θ + _______ __ - ___ sin 2 θ ; (226)
Хd w0 2 w0 Хq Хd
т.е. аналогично выражению для СГ см.(224).
Отличия сд от сг:
1) СД, в основном, явнополюсные с числом полюсов 2р = 6 - 24 ;
2) воздушный зазор в СД меньше чем в СГ (для уменьшения пускового тока).
Кроме того, изменение активной мощности СД (изменение угла θ ) приводит к изменению его cos : при уменьшении нагрузки (уменьшении θ ) вектор тока статора І1 поворачивается в сторону опережения напряжения и двигатель может работать с cos = 1 или с опережающим током ; при увеличении нагрузки вектор тока поворачивается в сторону отставания от напряжения.
3.10 ПУСК СД
Произвести пуск СД непосредственным включением в сеть нельзя, т.к. ротор из-за своей инерции не может быть сразу увеличен вращающимся магнитным полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно.
Поэтому ротор СД необходимо предварительно привести во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между полем статора и ротором установится устойчивая магнитная связь, т.е. СД войдет в синхронизм.
Один из способов пуска СД называется асинхронным пуском.
Для такого способа пуска в полюсные наконечники ротора СД устанавливается пусковая обмотка, конструктивно представляющая собой коротко-замкнутую клетку, аналогичную обмотке ротора асинхронного двигателя с к.з. ротором. В СГ такая обмотка играет роль успокоительной (демиферной) обмотки.
Обмотка возбуждения СД на период пуска замыкается на разрядный резистор (Rр=10RОВ), чтобы в ней не наводилась большая ЭДС (из-за большого числа витков) в начальный период пуска.
На невозбужденный СД подается напряжение сети и он начинает работать как асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. После разгона ротора СД до n2 = 0,95n1 обмотка возбуждения подключается к источнику постоянного тока (возбудителю), при этом образуется синхронный момент М, который втягивает ротор СД в синхронизм.
3.11 РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СД
3.11.1 Скоростная n2 = (Р2), при U1 = const, 1= const. Поскольку частота вращения ротора СД n2 (при нагрузке не превышающей максимальную) равна частоте вращения магнитного поля статора n1 = 601/ Р1, то график скоростной характеристики представляет собой прямую линию, см.рис.86.
n
n2 = n1
P2
0
P2nom
Рисунок 86
3.11.2 Моментная - зависимость полезного момента на валу СД от полезной мощности, при 1= const, т.е. М2 = ( Р2).
Р2 2f 1
Так как М2 = ____ , а ω0 = _____ ,
ω0 р
то график моментной характеристики - прямая линия, см.рис 87.
М2
Р2
0
Рисунок 87
3.11.3 Характеристика коэффициента мощности - cos1= ( Р2), при 1= const.
Вид графика зависит от тока возбуждения ІВ, см.рис.88.
Cos
φ1
1
P2
0 P2nom
Рисунок 88
Если ІВ такой, что cos1=1 при номинальной нагрузке, то при недогрузке СД будет забирать из сети реактивно-опережающий (емкостной) ток, т.е ток опережающий по фазе напряжение сети U1. Следовательно коэффициент мощности сети будет увеличиваться, в отличие от АД, которые работают с отстающим от напряжения сети током (особенно при недогрузке).
При перегрузке СД будет забирать из сети реактивно-отстающий (индуктивный) ток, т.е. коэффициент мощности сети будет уменьшаться.
3.11.4 ТОКОВАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА - І1= f(Р2), см. рис. 89.
I1
P1
I1 = f ( P2 )
P1 = f ( P2 )
P2
0
Рисунок 89.
3.11.5 ХАРАКТЕРИСТИКА ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ
Р1 = f(Р2).
Поскольку Р1 = Р2 + Р, то входная мощность при увеличении нагрузки возрастет быстрее чем полезная, поэтому график характеристики - кривая линия (см.рис.89).
Где Σ Р - суммарные потери.
Достоинства СД:
1) основной электромагннитный момент у СД пропорционален напряжению на обмотке статора, см.(226), а у АД момент пропорционален напряжению в квадрате, см. (160). Поэтому при понижении напряжения сети СД сохраняет большую перегрузочную способность.
2) при работе СД с перевозбуждением, он создает в сети емкостной ток, чем способствует увеличению коэффициента мощности сети.
Недостатки СД:
1) более сложная по сравнению с АД конструкция, а значит выше стоимость;
2) необходим источник постоянного тока (возбудитель).
3.12 СИНХРОННЫЕ РЕАКТИВНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Особенностью синхронного реактивного двигателя (СРД) является обязательная, явнополюсная конструкция его ротора и отсутствие на нем обмотки возбуждения.
Такие двигатели называются реактивными потому, что магнитный поток в них создается реакцией якоря, т.е. реактивным током протекающим в обмотке статора (якоря). При этом явновыраженные полюса ротора стремятся ориентироваться относительно магнитного поля так, чтобы магнитное сопротивление Rм для силовых линий поля было бы минимальным (рис90), из-за чего при вращении магнитного поля возникают тангенциальные силы F, которые образуют вращающий момент и ротор вращается в том же направлении и стой же частотой, что и магнитное поле статора, т.е. n2 = n1.
Причем здесь М = Мр, см. (226).
Достоинства СРД:
1) простота конструкции;
2) высокая надежность.
Недостатки СРД:
1) поскольку в СРД Мосн = 0, то их мощность меньше чем у СД с возбужденным ротором тех же габаритов
2) невысокие значения КПД и cos.
В СРД применяется асинхронный пуск. СРД применяются в качестве ЭД малой мощности для привода самопишущих приборов, в устройствах звуко и видеозаписи, т.е. где требуется строгое постоянство частоты вращения.
Рисунок 90
3.13 ГИСТЕРЕЗИСНЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Робота гистерезисного двигателя(ГД) основана на действии гистерезисного момента: Мг = Рг.к./0; (227)
где Рг.к - потери на гистерезис при неподвижном роторе;
0 - синхронная угловая скорость.
Конструктивная особенность ГД - наличие цилиндрического (неявнополюсного) ротора, в котором имеется активная часть, выполненная из магнито-твердого материала, см.рис.91.
Рисунок 91.
Под действием магнитного поля статора ротор намагничивается и на него начинает действовать сила магнитного притяжения Fм
При вращении магнитного поля статора, из-за магнитного запаздывания (гистерезиса) активная часть ротора не будет успевать перемагничиваться одновременно с вращением поля статора и между осями ротора и магнитного поля статора образуется угол γ , появятся тангенциальные силы F, которые и создадут гистерезисный момент Мг
Угол гистерезисного сдвига зависит от ширины петли гистерезиса.
Поэтому в роторах ГД применяются магнитотвердые сплавы ( с широкой петлей гистерезиса), например викаллой.
Достоинства ГД:
1) простота конструкции;
2) бесшумность;
3) высокая надежность;
4) большой пусковой момент;
5) высокий КПД.
Недостатки ГД:
1) низкий cos (0,4 - 0,5);
2) высокая стоимость;
3) неравномерность хода вращения из -за качаний, т.к. нет пусковой (демпфирующей) обмотки.
3.14 ШАГОВЫЕ (ИМПУЛЬСНЫЕ) Д ВИГАТЕЛИ
Шаговые двигатели (ШД) применяются для преобразования импульсов напряжения в дискретные угловые или линейные перемещения (шаги).
ШД являются синхронными машинами, т.к. вращающий момент создается силами магнитного притяжения статора и ротора.
Ротор ШД всегда явнополюсный и может быть активным, т.е. иметь обмотку возбуждения или постоянные магнитны, а может быть пассивным (реактивным), т.е. не иметь обмотки возбуждения или постоянных магнитнов.
Если активный ротор с постоянными магнитами, то должна обеспечиваться его фиксация при отсутствии сигнала управления.
При наличии активного ротора с обмоткой возбуждения получается относительно больший момент.
Статор ШД имеет несколько обмоток, называемых обмотками управления, потому что на них в определенной последовательности поступают сигналы управления от электронного коммутатора.
Принцип работы ШД можно рассмотреть на примере реактивного ШД с сосредоточенной обмоткой управления, см.рис.92.
На статоре такого двигателя распологаются три обмотки, каждая из которых состоит из двух катушек, размещенных на диаметрально противоположных выступах сердечника статора.
Ротор имеет лишь два полюса, выполненных из магнитно-мягкого материала.
Рисунок 92.
При подаче напряжения управления Uу на обмотку 1-1' ротор займет положение, при котором магнитное сопротивление Rм для магнитного потока Ф будет минимальным.
Если затем. не отключая обмотку 1-1', подать Uу на вторую обмотку 2-2' так, чтобы соседние выступы статора имели противоположную полярность, то ротор опять займет положение, при котором Rм для нового магнитного потока будет минимальным, т.е. повернется на 300.
После этого сигнал управления снимается с обмотки 1-1', но остается на обмотке
2-2' и ротор поворачивается еще на 300, далее Uу подается на обмотку 3-3' и ротор опять повернется на 300 и т.д.
То есть у этого ШД за один оборот ротор делает 12 шагов. Если ротор сделать четырехполюсным, то шаги будут равны 150. В общем случае угловой шаг определяется из формулы:
αш = 3600 / 2р2 m1 Кф (228)
где 2р2 - число полюсов ротора;
m1 - число фаз обмотки статора;
Кф - коэффициент зависящий от способа включения фазных обмоток статора.
При совместном включении обмоток (как в приведенном примере) Кф = 2, при раздельном включении обмоток Кф = 1.
4 КОЛЛЕКТОРНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
4.1 УСТРОЙСТВО КОЛЛЕКТОРНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Характерным признаком коллекторной машины постоянного тока (ЭМПТ) является наличие щеточно-коллекторного узла, через который осуществляется связь рабочей обмотки (обмотки якоря) с нагрузкой (если машина работает в генераторном режиме) либо с источником питания (если машина работает в режиме двигателя).
Щеточно-коллекторный узел - это электромеханический преобразователь постоянного тока в переменный или наоборот.
Достоинства ЭМПТ:
1) хорошие пусковые и регулировочные свойства;
2) возможность получения частоты вращения более 3000 об/мин.
Недостатки ЭМПТ:
1) пониженная надежность;
2) относительно высокая стоимость;
3) более сложна по конструкции чем электрические машины переменного тока;
4) большие радиопомехи и пожароопасность при работе.
Все перечисленные недостатки обусловлены наличием щеточно-коллекторного узла. Необходимость в щеточно-коллекторном узле обьясняется тем, что в обмотке ротора коллекторной электрической машины должен протекать переменный ток, т.к. только в этом случае в электрической машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.
Как и любая электрическая машина ЭМПТ состоит из двух основных частей - статора и ротора.
Неподвижная часть - статор состоит из:
1) станины (корпуса);
2) подшипниковых щитов;
3) главных полюсов, служащих для создания в машине магнитного потока возбуждения и состоящих из шихтованного сердечника, обмотки возбуждения (полюсной катушки) и полюсного наконечника;
4) щеткодержателей со щетками;
5) коробки клеммных выводов (коробки зажимов);
6) лап.
Подвижная часть - ротор состоит из:
1) вал;
2) шихтованный сердечник;
3) обмотка ротора уложенная в пазах сердечника, поскольку по ней протекают токи зависящие от нагрузки, то она еще называется якорной обмоткой, а ротор - якорем.
4) коллектор, состоящий из изолированных друг от друга и от вала медных пластин, к верхней части которых (петушку) припаиваются проводники обмотки якоря;
-
вентилятор, предназначенный для самовентиляции машины: воздух идет от коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотку, сердечник) и выбрасывается наружу через решетки.
Поскольку по обмотке ротора протекает ток нагрузки(как будет показано далее),то в соответствии со стандартом (см.п.3.1) ротор в этих машинах чаще называют якорем.
4.2 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ КОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН
ПОСТОЯННОГО ТОКА
В соответствии с третьим выводом из работы электрических машин коллекторная машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.
4.2.1 ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Принцип действия генератора постоянного тока (ГПТ) можно рассмотреть на примере одновитковой обмотки ротора, состоящей из двух пазовых проводников ав и сd (рис.93) соединенных лобовой частью вс, а концы а и d проводников присоединяются к двум полукольцам (коллекторным пластинам). Ток из витка авсd снимается с помощью щеток А и В, соприкасающихся при вращении ротора с полукольцами. Щетки соединены проводниками с зажимами Я1 и Я2.
Обмотка авсd находится в магнитном поле постоянных магнитов находящихся на статоре.
Вал ротора приводится во вращение приводным двигателем (ПД).
Рисунок 93
Если ПД будет вращать ротор с витком авсd в направлении указанном на рисунке 93, то в витке вращающемся в магнитном поле постоянного магнита наведется ЭДС, величина которой определится в общем случае, по формуле:
е = 2ВlV (229)
где В - магнитная индукция
l - длина пазового проводника
V - линейная скорость перемещения пазового проводника относительно магнитного поля.
направление этой ЭДС определится по правилу правой руки (ППР).
Величина этой ЭДС для конкретного ГПТ промышленного производства определится по формуле:
рN
Еа = Се Ф n = _____ Ф n (230)
60 а
где Еа - ЭДС якоря;
Се - конструктивный коэффициент;
Ф - магнитный поток возбуждения;
n - частота вращения;
р - число пар главных полюсов;
а - число пар параллельных ветвей обмотки якоря;
N - число пазовых проводников обмотки якоря.
При подключении к зажимам Я1, Я2 нагрузки Rн, в образовавшейся замкнутой цепи под действием ЭДС Еа возникнет ток нагрузки І, который в данном случае будет являться и током якоря Іа.
В соответствии со вторым выводом из работы ЭМ одновременно с появлением Еа и тока нагрузки возникает электромагнитная сила Fэм, направление которой определяется по правилу левой руки (ПЛР). Эта сила действует на каждый пазовый проводник обмотки якоря. Произведение силы на плечо ( в данном случае радиус ротора) есть момент.
Совокупность моментов действующих на каждый пазовый проводник образует электромагнитный момент М, величина которого для конкретного ГПТ определяется по формуле: рN
М = См Ф Іа = _______ Ф Іа (231)
2а
где Іа - ток в обмотке якоря.
Электромагнитный момент ГПТ всегда направлен навстречу вращающему моменту приводного двигателя, т.е. ГПТ механически нагружает ПД.
Поскольку виток авсd в процессе вращения ротора занимает разное пространственное положение относительно полюсов магнитного поля возбуждения, то возникающая в нем ЭДС, а значит и ток будет переменным, но посредством щеточно-коллекторного узла переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т.е. в нагрузке. Это хорошо видно из графиков на рисунке 94, где показан вид со стороны коллектора генератора изображенного на рис.93.
Рисунок 94
Пульсации во внешней цепи ГПТ сильно уменьшаются при увеличении числа витков обмотки якоря и при их равномерном распределении вдоль поверхности якоря, а также соответственно увеличении числа пластин в коллекторе.
Для того, чтобы ЭДС на выходах ГПТ имела максимальное значение, щетки устанавливаются в тех местах, где ЭДС наводимая в пазовых проводниках меняет направление, а это происходит на середине межполюсного промежутка, т.е. на геометрической нейтрали n - n'.