Содержание:

1. Основные понятия о магнитных цепях и методах их расчета, магнитные цепи с постоянной и переменной магнитодвижущей силой, катушка с ферромагнитным сердечником

2. Устройство и принцип действия синхронного генератора, его применение в промышленности, внешние характеристики.

3. Регулировочные характеристики синхронного генератора.

4. Устройство и принцип действия синхронного двигателя.

5. Способы пуска синхронного двигателя.

6. Угловая и механические характеристики синхронного двигателя.

7. U- образные характеристики синхронного двигателя (регулирование реактивного тока и реактивной мощности).

8. Устройство и принцип действия генератора постоянного тока.

9. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения и их электрические схемы.

10. Сравнение внешних характеристик генераторов постоянного тока с различными схемами возбуждения.

11. Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока.

12. Способы пуска двигателей постоянного тока.

13. Механическая характеристика двигателей постоянного тока (n=f(M)) с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

14. Способы регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока.

1. Основные понятия о магнитных цепях и методах их расчета, магнитные цепи с постоянной и переменной магнитодыижущей силой, катушка с ферромагнитным сердечником

Совокупность технических устройств и объектов, возбуждающих магнитные поля и формирующих пути для их распространения, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий магнитодвижущей силы, магнитного потока и разности магнитных потенциалов называется магнитной цепью.

Магнитные поля возбуждаются либо электрическим током, протекающим по проводникам, которым придаётся определённая форма, и называемым обмотками или катушками, либо постоянными магнитами.

Характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция и напряжённость. Магнитная индукция это векторная величина, характеризующая магнитное поле в каждой точке пространства. При прочих равных условиях она определяет силу, действующую на проводник, по которому протекает электрический ток, со стороны магнитного поля и величину ЭДС, наводимой магнитным полем в проводнике. Оба эти явления непосредственно используются в преобразователях электрической энергии. Поэтому во всех технических устройствах требуется создание магнитных полей с возможно более высоким значением индукции. Эта задача решается применением конструкций из ферромагнитных материалов, называемых магнитопроводами. На рис. 7.1, а показано магнитное поле цилиндрической катушки, расположенной в воздушной среде, а на рис. 7.1, б поле этой же катушки при том же значении тока, но установленной на магнитопроводе. В зазоре магнитопровода индукция магнитного поля в десятки и сотни раз выше, чем в любой точке поля без магнитопровода. Это связано с тем, что под действие поля катушки материал магнитопровода намагничивается и создаёт дополнительное магнитное поле, усиливающее внешнее поле.

В общем случае вектор магнитной индукции определяется как

Напряжённость магнитного поля это характеристика определяемая, только свойствами системы его возбуждения, т.е. геометрической формой проводников и протекающим в них током. На основании опытных данных установлено, что интеграл вектора напряжённости магнитного поля вдоль любого замкнутого контура равен алгебраической сумме токов, сцеплённых с этим контуром:

Это выражение называется законом полного тока. Правая часть выражения (7.2) называется магнитодвижущей силой (МДС) или намагничивающей силой (НС). Она измеряется в единицах измерения тока – амперах. Единицей измерения напряжённости магнитного поля является ампер на метр [А/м].

При расчете магнитных цепей на практике встречаются две типичные задачи:

• задача определения величины намагничивающей силы (НС), необходимой для создания заданного магнитного потока (заданной магнитной индукции) на каком - либо участке магнитопровода (задача синтеза или “прямая“ задача);

• задача нахождения потоков (магнитных индукций) на отдельных участках цепи по заданным значениям НС (задача анализа или “обратная” задача).

Следует отметить, что задачи второго типа являются обычно более сложными и трудоемкими в решении.

В общем случае в зависимости от типа решаемой задачи (“прямой” или “обратной”) решение может быть осуществлено следующими методами:

• регулярными;

• графическими;

• итерационными.

При этом при использовании каждого из этих методов первоначально необходимо указать на схеме направления НС, если известны направления токов в обмотках, или задаться их положительными направлениями, если их нужно определить. Затем задаются положительными направлениями магнитных потоков, после чего можно переходить к составлению эквивалентной схемы замещения и расчетам.

Магнитные цепи по своей конфигурации могут быть подразделены на неразветвленные и разветвленные. В неразветвленной магнитной цепи на всех ее участках имеет место один и тот же поток, т.е. различные участки цепи соединены между собой последовательно. Разветвленные магнитные цепи содержат два и более контура.

Катушка с магнитопроводом является собирательным понятием для множества электромагнитных устройств, в которых магнитное поле возбуждается протекающим по проводникам током, а усиливается и формируется с помощью различных конструкций из ферромагнитных материалов. На примере цилиндрической катушки с ферромагнитным сердечником, образующим магнитопровод (рис. 7.1, б), проще и наглядней анализировать электромагнитные процессы общие по своей природе для всех подобных устройств.

При подключении катушки к источнику переменного тока в электрической цепи и в магнитопроводе возникают физические явления, принципиально отличающиеся от наблюдаемых на постоянном токе. Прежде всего, это относится к явлениям в магнитопроводе, состояние которого при переменной МДС характеризуется бесконечным множеством точек, образующих петлю гистерезиса, в то время как при постоянном токе состояние ферромагнетика определялось одной рабочей точкой.

Например, для цепей с переменной МДС характерны потери от гистерезиса. Потери, связанные с перемагничиванием, называются потерями от гистерезиса. Это название отражает то обстоятельство, что при отсутствии явления гистерезиса потери на перемагничивание будут нулевыми, т.к. нулевой будет площадь гистерезисной петли. Мощность потерь от гистерезиса равна

Где η– коэффициент, характеризующий материал сердечника; f – частота питания; V – объём сердечника; B_m – максимальное значение магнитной индукции; 1<n<2 – показатель степени, зависящий от материала и величины магнитной индукции.

Другим явлением, возникающим при питании катушки переменным то-ком, являются вихревые токи. Материал сердечника является проводником, находящимся в переменном магнитном поле. Поэтому в нём индуцируется ЭДС, под действием которой в плоскости перпендикулярной направлению магнитного потока возникают токи i_в, замыкающиеся по контурам напоминающим «вихри» (рис. 8.2).

Протекание тока в любом проводнике вызывает его нагрев, т.е. тепловые потери энергии. Их мощность для вихревых токов определяется выражением

где ζ – коэффицицент, пропорциональный удельной проводимости материала сердечника; d<<b– толщина листа магнитопровода; f – частота питания; V – объём сердечника; B_m – максимальное значение магнитной индукции.

Энергия, преобразуемая в тепло вихревыми токами, потребляется от источника питания катушки и может быть очень большой. Поэтому все магнитопроводы устройств, работающих на переменном токе или в режиме меняющегося во времени магнитного потока, изготавливаются из изолированных друг от друга листов, толщина которых выбирается в зависимости от частоты. Чем выше частота, тем тоньше должны быть листы, чтобы уменьшением толщины d компенсировать увеличение удельных потерь с ростом f (см. выражение 8.4). Разделение магнитопровода на пластины называется «шихтованием», от нем. Schichte – слой. Оно выполняется вдоль направления магнитного потока. Отдельные пластины сердечника изолируются друг от друга окалиной, возникающей на их поверхности при термообработке, или лаком.