Вопрос 2. Принцип действия машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах. Направление тока, эдс, электромагнитного момента.

Электрическая машина предназначена для преобразования механической энергии в электрическую (генератор), электрической в механическую (двигатель) или электрической энергии одного вида в электрическую энергию другого вида (преобразователь).

Принцип действия генератора состоит в том, что при передвижении проводника длиной l со скоростью v перпендикулярно магнитным линиям в поле с индукцией В в нём по закону электромагнитной индукции возникает ЭДС e=Blv.

Если замкнуть концы проводника через сопротивление, то ЭДС создаст ток. Направления ЭДС и тока у генератора всегда совпадают.

Ток взаимодействуя с магнитным потоком, в котором он находится, создаёт силу выталкивания проводника из магнитного поля, равную f_m=Bil.

Сила взаимодействия f_m проявляется как реакция на внешнюю силу перемещения проводника. Она равна и направлена противоположно внешней силе.

Принцип действия двигателя состоит в следующем: если к проводнику, находящемуся в магнитном поле, подвести напряжение, т. е. пропустить через него ток, то проводник под действием возникшей силы f_m начнёт перемещаться. При перемещении вследствие пересечения проводником магнитного поля в нём возникает ЭДС, проявляющаяся как реакция на подведённое напряжение. Поэтому ЭДС в двигателе всегда направлена навстречу току.

Вопрос 3. Асинхронный двигатель с двойной «беличьей клеткой». Частотное регулирование частоты вращения ад. Как изменяется при этом механические характеристики.

Двухклеточные двигатели

Устройство и принцип работы. Двухклеточные двигатели имеют на роторе две короткозамкнутые беличьи клетки, одна из которых представляет собой так называемую пусковую обмотку, а вторая — рабочую. Рабочая обмотка выполняется из медных стержней и размещается в нижних частях пазов, а пусковая обмотка изготовляется из латунных или бронзовых стержней и располагается в верхних частях пазов, ближе к воздушному зазору. Сечение стержней пусковой обмотки может быть несколько меньше, чем у рабочей обмотки. Однако сечение и теплоемкость стержней пусковой обмотки должны быть достаточно велики, чтобы предотвратить чрезмерный нагрев этой обмотки при пуске. Иногда рабочую и пусковую обмотки размещают в отдельных пазах (рис. 27-5, а справа). В связи со сказанным активное сопротивление пусковой обмотки r_п обычно в 2—4 раза больше активного сопротивления r_р рабочей обмотки. Наоборот, индуктивное сопротивление рассеяния пусковой обмотки х_оп в несколько раз меньше, чем х_оp рабочей обмотки, поскольку последняя утоплена глубоко в стали сердечника ротора.

Вращающееся магнитное поле двигателя индуктирует в обеих обмотках ротора одинаковые э. д. с.

При пуске вследствие большой частоты тока ротора индуктивное сопротивление рабочей обмотки относительно велико и значительно больше полного сопротивления пусковой обмотки. Поэтому при пуске нагружена током в основном только пусковая обмотка, и ввиду большой величины ее активного сопротивления двигатель развивает большой пусковой момент. При разбеге двигателя частота тока ротора уменьшается, и при нормальной скорости вращения (s = 0,02 ÷ 0,05) индуктивные сопротивления рассеяния обмоток ротора будут в 20—50 раз меньше, чем при пуске. Поэтому в рабочем режиме активные сопротивления обмоток ротора значительно больше индуктивных и полные сопротивления обмотки определяются величинами активных сопротивлений. Вследствие этого при работе двигателя полное сопротивление рабочей обмотки значительно меньше, чем полное сопротивление пусковой, и током нагружена главным образом рабочая обмотка. Ввиду малости активного сопротивления этой обмотки двигатель имеет хороший к. п. д.

Таким образом, в двухклеточном двигателе при пуске происходит вытеснение тока ротора по направлению к воздушному зазору.

В пусковой обмотке двухклеточного двигателя при тяжелых условиях пуска (большой маховой момент приводимого агрегата и пуск под нагрузкой) выделяется большое количество тепла, и эта обмотка при пуске соответственно удлиняется, в то время как рабочая обмотка при пуске остается холодной и не удлиняется. Поэтому во избежание нарушения сварных соединений стержней с торцовыми короткозамыкающими кольцами стержни пусковой и рабочей обмоток присоединяются к отдельным кольцам.

Регулирование скорости изменением первичной частоты (частотное регулирование) требует применения источников питания с регулируемой частотой (синхронные генераторы с переменной скоростью вращения и др.). Поэтому данный способ регулирования используется

главным образом в случаях, когда для целых групп двигателей необходимо повышать (n > 3000 об/мин) скорости вращения (например, ручной металлообрабатывающий инструмент, некоторые механизмы деревообрабатывающей промышленности и др.) или одновременно и плавно их регулировать (например, двигатели рольгангов мощных прокатных станов и др.). С развитием полупроводниковых преобразователей все более перспективным становится также индивидуальное частотное регулирование скорости вращения двигателей. Схему короткозамкнутого асинхронного двигателя с частотным управлением при помощи полупроводниковых преобразователей можно получить, если на схеме заменить явно-полюсный ротор на ротор с обмоткой в виде беличьей клетки и питать эту схему от сети переменного тока через полупроводниковый выпрямитель. Управление инвертором при этом производится особым преобразователем частоты вне зависимости от положения ротора двигателя. Величина напряжения регулируется, с помощью выпрямителя.

Если пренебречь относительно небольшим падением напряжения в первичной цепи асинхронного двигателя, то

U₁=E₁= 4,44f₁w₁r_об1Ф

Существенное изменение величины потока Ф при регулировании n нежелательно, так как увеличение Ф против нормального вызывает увеличение насыщения магнитной цепи и сильное увеличение намагничивающего тока, а уменьшение Ф вызывает недоиспользование машины, уменьшение перегрузочной способности и увеличение тока I₂ при том же значении М и т. д. Поэтому в большинстве случаев целесообразно поддерживать Ф = const. При этом следует, что одновременно с регулированием частоты пропорционально ей необходимо изменять также напряжение, т. е. поддерживать

U₁/f₁₌const.

Отступление от этого правила целесообразно только в случаях, когда М_ст быстро уменьшается с уменьшением n (например, приводы вентиляторов, когда М_ст =n²), в этом случае более быстрое уменьшение по сравнению с f₁ вызывает уменьшение Ф и улучшает энергетические показатели двигателя и в то же время уменьшение М_m с точки зрения перегрузочной способности не опасно.

При широком диапазоне регулирования правильнее поддерживать

Ф=Е₁/f₁₌const.

К недостаткам частотного регулирования относится громоздкость и высокая стоимость питающей установки.

Закон частотного регулирования:

Билет 11

1. Трехмазная система электрических цепей представляет собой совокупность электрических цепей, в которых действуют три синусоидальные ЭДС одной и той же частоты, сдвинутые друг относительно друга по фазу и создаваемые общим источником энергии.Если все 3 ЭДС равны по значению и сдвинуты по фазе на 120 градусов по отношению друг другу, то такую систему ЭДС называют симметричной, если сдвинуты на угол не равный 120-несимметричный.

Трехфазная система ЭДС создается трехфазными ге­нераторами. В неподвижной части генератора (статоре) размещают три обмотки, сдвинутые в пространстве на 120° (рис. 4.2). Это фазные обмотки, или фазы, которые обозначают А, В и С. Этими же буквами обозначают на­чала обмоток фаз генератора. Концы обмоток обознача­ют соответственно X, У и Z. На рис. 4.26 показано, как изображают на схемах обмотки генератора с условными положительными направлениями ЭДС.

Каждая фазная обмотка генератора изображена на рис. 4.2а одним витком (у реальных генераторов каждая обмотка имеет множество витков, расположенных в нескольких соседних пазах, занимающих некоторую дугу внутренней окружности статора). На вращающейся час­ти генератора (роторе) располагают обмотку возбужде­ния, которую подключают к источнику постоянного тока. Ток обмотки возбуждения создает магнитный поток Ф₀, постоянный (неподвижный) относительно ротора, но вра­щающийся вместе с ним с частотой п. Вращение ротора осуществляется каким-либо двигателем.

СОЕДИНЕНИЕ ОБМОТОК ГЕНЕРАТОРА И ФАЗ ПРИЕМНИКА ЗВЕЗДОЙ

Каждая фаза трехфазного генератора может являть­ся источником питания для однофазного приемника. В этом случае схема электрической цепи имеет вид, изо­браженный на рис. 4.6, т. е. каждая фаза работает от­дельно от других, хотя в целом цепь является трехфаз­ной. Это трехфазная несвязанная система.

ЭДС любой обмотки генератора представляет собой разность потенциалов начала и конца этой обмотки. При этом потенциал одной какой-либо точки (или начала, или конца обмотки) можно считать равным нулю. Тогда комплексный потенциал другой точки будет иметь точно определенное значение.

Принимая равными потенциалы точек, соответству­ющих концам X, У и Z обмоток фаз генератора, можно объединить их в одну точку N (рис. 4.7). Концы фаз при­емников (Z_а, Z_Ь и Z_С) также соединяем в одну точку п. Такое соединение обмоток генератора называют соедине­нием звездой (Y). Звездой можно соединять также фазы приемника. Точки N u n называют нейтральными, а провод, соединяющий точку N генератора с точкой п приемника, — нейтральным. Провода А-а, В-b и С-с, соединяющие начала фаз генератора и приемника, назы­вают линейными. На электрических схемах линейные провода принято обозначать латинскими буквами Li, L2 и L₃ соответственно, а нейтральный провод — буквой N.

Напряжение между началом и концом фазы — фаз­ное напряжение С7_Ф. Таким образом, имеется три фазных напряжения — U_a U_b U_c. Обычно за условное поло­жительное направление ЭДС генератора принимают на­правление от конца к началу фазы (см. рис. 4.6 и 4.7). Положительное направление тока в фазах совпадает с положительным направлением ЭДС, а положительное направление падения напряжения (напряжение) на фазе приемника совпадает с положительным направлением тока в фазе. Положительным направлением напряжения на фазе генератора, как и на фазе приемника, является направление от начала фазы к ее концу, т. е. противопо­ложное положительному направлению ЭДС.

Напряжение между линейными проводами — линей­ное напряжение U_л. Таким образом, имеется три линей­ных напряжения Uав,Uвc и Нса, условные положитель­ные направления которых приняты от точек, соответ­ствующих первому индексу, к точкам, соответствующим второму индексу. Линейные напряжения определяют через известные фазные напряжения. Это соотношение может быть получено из уравнения, написанного по вто­рому закону Кирхгофа для контура ANBA, если принять направление обхода контура от точки А к точке N и т. д.: Uа-Uв – Uab = 0. Аналогично могут быть найдены и напряжения Ubc и Uca. Отсюда

Uab=U_a-U_b,

U вс ⁼ Ив - Uc

U_СА=U_с-U_А.

Таким образом, комплексное линейное напряжение равно разности соответствующих комплексных фазных напряжений.

При построении векторных диаграмм напряжений удобно принимать потенциалы нейтральных точек N и п равными нулю, т. е. совпадающи­ми с началом координатных осей комплексной плоскости (рис. 4.8). Таким образом, на векторной ди­аграмме удобно направить век­торы фазных напряжений от точки АГ к точкам А, В и С, т. е. противоположно условному по­ложительному направлению на­пряжений на схемах.

Для нахождения вектора ли­нейного напряжения Uав-, как следует из (4.3), необходимо к вектору напряжения Uа приба­вить вектор напряжения Uв с противоположным знаком. После переноса вектора Uав параллельно самому себе он соединит точки А и В на векторной диаграмме фазных напряжений.

Аналогично строят векторы линейных напряжений Uвc и Ucа- На векторной диаграмме напряжений векто­ры фазных напряжений образуют звезду, а векторы ли­нейных напряжений — замкнутый треугольник, откуда следует, что сумма комплексных линейных напряжений всегда равна нулю, т. е.

Так как при симметричной системе треугольник ли­нейных напряжений равносторонний, то, чтобы найти соотношение между действующими значениями линей­ных и фазных напряжений, надо опустить перпенди­куляр из точки N на вектор напряжения Uав. Тогда АВ = Uaв = 2U_всos30°.

Таким образом, если система напряжений симмет­рична, то при соединении звездой линейное напряжение в >/з = 1,73 раза больше фазного напряжения. Предус­мотренные ГОСТ и применяемые на практике напряже­ния переменного тока 127, 220, 380 и 660 В как раз и отличаются друг от друга в 1,73 раза. Если С7_Л = 220 В, то С/ф = 127 В, что обозначают как 220/127 В. Кроме того, применяют системы 380/220 и 660/380 В.

В четырехпроводной трехфазной цепи имеется два уровня напряжения, различающихся в 1,73 раза, что позволяет использовать приемники с различным номи­нальным напряжением.

Ток в фазах генератора или приемника называют фазным током 1_Ф. Ток в линейных проводах называют линейным током 1_Л. Так как обмотка генератора, линей­ный провод и приемник, принадлежащие одной фазе, соединяются последовательно, то при соединении звез­дой линейный ток равен фазному:

Ток в каждой фазе может быть определен по закону Ома для цепи синусоидального тока.

Ток в нейтральном проводе равен сумме комплексных фазных токов.

Зная модули I_А, Iв,I_с сдвиги фаз между векторами соответствующих фазных напряжений и то­ков, можно построить векторную диаграмму (рис. 4.9). При построении принято, что система фазных напряже­ний симметрична (что на практике почти всегда имеет место), а сопротивления фаз приемников различны. В ре­зультате фазные токи оказываются различными по зна­чению и сдвинутыми по фазе на различные углы. Гео­метрическим сложением фазных токов находят век-

тор тока In. Чем больше различие в фазных токах, тем больше ток в нейтральном проводе.

При симметричной системе напряжений и симмет­ричной нагрузке, когда Za=Zb=Zc=Z — т. е. когда Ra=Rb=Rc Х_a = Х_ь = Х_с, фазные токи равны по зна­чению, и сдвиг по фазе одинаков:

Ia= =Iв = Ic =Iф

Итак, фазные токи при симметричной нагрузке обра­зуют симметричную систему, вследствие чего ток In в нейтральном проводе равен нулю:

Векторная диаграмма напряжений и токов для сим­метричной нагрузки показана на рис. 4.10.

При симметричной нагрузке создается такой режим трехфазной цепи, при котором в нейтральном проводе тока нет. Следовательно, можно отказаться от нейтраль­ного провода и перейти к трехпроеодной трехфазной цепи, изображенной на рис. 4.11.

2. МОЩНОСТЬ ПОТЕРЬ

В процессе преобразования энергии в машинах по­стоянного тока часть энергии преобразуется в теплоту и рассеивается в машине. Различают следующие виды по­терь энергии, а следовательно, мощности потерь:

1. Электрические потери Р_п._пр — это потери на нагрев проводов обмоток якоря, добавочных полюсов, возбужде­ния и др. В каждой обмотке и в регулировочных реоста­тах Др_В и Др_Я электрические потери пропорциональны квад­рату тока: Р_п.пр ⁼ 1²В, где / — ток в них; Я — их сопро­тивление. Электрические потери в щеточном контакте

пропорциональны току якоря и падению напряжения под щеткой, т. е. Р_и._щ = 1_яАи_щ. _а 2. Потери в стали магни-

"^лр топровода от гистерезиса и вихревых токовР_пс. Эти поте-п.с^+рп.мх ри пропорциональны квадра­ту магнитной индукции и час­тоте вращения якоря.

3. Механические потери

Энергетическая^иаграмма ^Рп.мх - ЭТО потери, вызван-двигателя постоянного тока ные трением в подшипниках,

щеток о коллектор и вращающегося якоря о воздух. Ме­ханические потери пропорциональны частоте вращения.

В качестве примера на рис. 11.42 представлена энер­гетическая диаграмма двигателя, показывающая баланс мощностей в нем. К двигателю из сети подводится элек­трическая энергия, мощность которой Р\ = и (1_Я + 1_В). Часть этой энергии с мощностью Р_п._пр тратится на нагрев проводов обмоток. Оставшаяся часть мощности Р_эм, на­зываемая электромагнитной мощностью, характеризу­ет ту часть электроэнергии, которая преобразуется в ме­ханическую энергию, в результате чего происходит вра­щение якоря. Часть мощности Р_п._с определяет энергию, затрачиваемую на нагрев стального магнитопровода яко­ря, часть Р_п.мх — на трение. Оставшаяся мощность Р₂ представляет собой полезную механическую мощность на валу двигателя.

КПД двигателя и генератора г| = Рг/Рь где Р₂ — ме­ханическая мощность на валу двигателя или электриче­ская мощность генератора, отдаваемая приемнику; Рх — мощность электрической энергии, подводимой к двига­телю из сети, или механическая мощность приводного двигателя, вращающего якорь генератора.

Номинальное значение КПД двигателей малой мощ­ности составляет 0,78...0,85, а двигателей средней и боль­шой мощности — 0,85...0,94.

МОЩНОСТЬ ПОТЕРЬ

В процессе преобразования энергии в машинах по­стоянного тока часть энергии преобразуется в теплоту и рассеивается в машине. Различают следующие виды по­терь энергии, а следовательно, мощности потерь:

1. Электрические потери Р_п._пр — это потери на нагрев проводов обмоток якоря, добавочных полюсов, возбужде­ния и др. В каждой обмотке и в регулировочных реоста­тах Др_В и Др_Я электрические потери пропорциональны квад­рату тока: Р_п.пр ⁼ 1²В, где / — ток в них; Я — их сопро­тивление. Электрические потери в щеточном контакте

пропорциональны току якоря и падению напряжения под щеткой, т. е. Р_и._щ = 1_яАи_щ. _а 2. Потери в стали магни-

"^лр топровода от гистерезиса и вихревых токовР_пс. Эти поте-п.с^+рп.мх ри пропорциональны квадра­ту магнитной индукции и час­тоте вращения якоря.

3. Механические потери

Энергетическая^иаграмма ^Рп.мх - ЭТО потери, вызван-двигателя постоянного тока ные трением в подшипниках,

щеток о коллектор и вращающегося якоря о воздух. Ме­ханические потери пропорциональны частоте вращения.

В качестве примера на рис. 11.42 представлена энер­гетическая диаграмма двигателя, показывающая баланс мощностей в нем. К двигателю из сети подводится элек­трическая энергия, мощность которой Р\ = и (1_Я + 1_В). Часть этой энергии с мощностью Р_п._пр тратится на нагрев проводов обмоток. Оставшаяся часть мощности Р_эм, на­зываемая электромагнитной мощностью, характеризу­ет ту часть электроэнергии, которая преобразуется в ме­ханическую энергию, в результате чего происходит вра­щение якоря. Часть мощности Р_п._с определяет энергию, затрачиваемую на нагрев стального магнитопровода яко­ря, часть Р_п.мх — на трение. Оставшаяся мощность Р₂ представляет собой полезную механическую мощность на валу двигателя.

КПД двигателя и генератора г| = Рг/Рь где Р₂ — ме­ханическая мощность на валу двигателя или электриче­ская мощность генератора, отдаваемая приемнику; Рх — мощность электрической энергии, подводимой к двига­телю из сети, или механическая мощность приводного двигателя, вращающего якорь генератора.

Номинальное значение КПД двигателей малой мощ­ности составляет 0,78...0,85, а двигателей средней и боль­шой мощности — 0,85...0,94.

3. Изменение числа пар полюсов. Изменить число пар полюсов можно только для обмотки статора, поэтому этот способ применяют для двигателей с короткозамкнутым ротором. Число пар полюсов можно изменить либо располагая на статоре несколько (обычно две) обмоток, каждая из которых имеет разное число пар полюсов и которые включают не одновременно, либо переключая секции каждой фазной обмотки (соединяя их параллель­но, последовательно, согласно или встречно).

На рис. 12.36 показан один из примеров переключе­ния секций (катушек). Рассмотрим одну фазу, ток в ко­торой имеет максимальное значение. Первую катушку составляют проводники 1 и 2, вторую катушку — про­водники 3 и 4. При соединении конца первой катушки с началом второй (согласное включение) получим направ­ление токов в проводниках, показанное на рис. 12.36а. При этом число пар полюсов р = 2. При соединении кон­ца первой катушки с концом второй (встречное включе­ние) получим р = 1 (рис. 12.366). Частота вращения маг­нитного потока статора n = 60f/р при таком изменении числа пар полюсов изменится в два раза. Таким образом, ясно, что регулирование частоты вращения возможно толь­ко ступенями. Если на статоре расположены две обмотки, включаемые поочередно, и если возможно включение сек­ций по разным схемам, то двигатель получается многоско­ростным. Такой двигатель может иметь частоты враще­ния п₁ = 3000, 1500, 1000, 500 об/мин. Примерно такое же соотношение получается для частот вращения ротора п₂. Многоскоростные двигатели имеют большие массы и га­бариты, чем двигатели нормального исполнения.

Билет 12

1)

2) КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА

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 I_в может изменяться в широких пределах с помощью переменного резистора R_a. Мощность, потребляемая обмоткой возбуждения, невелика и в номинальном режиме составляет 1-5 % номинальной мощности якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.

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.

 

Схема соединения генератора параллельного возбуждения показана на рис. 1,б. Переменный резистор R_B дает возможность изменять ток возбуждения I_в и, следовательно, выходное напряжение. Ток якоря I_a у этого генератора равен I_a = I + I_в, где I - ток нагрузки. Ток возбуждения относительно мал и для номинального режима составляет 1-5 % номинального тока машины.

У генератора последовательного возбуждения обмотка возбуждения соединяется последовательно с якорем и ее ток возбуждения равен току якоря и току нагрузки: I_в = I_a =I (рис. 1, в).

У генераторов смешанного возбуждения (рис. 1, г) на полюсах размещаются две обмотки. Одна из них, имеющая большое число витков и выполненная из проводников относительно небольшого сечения, включается параллельно с якорем, а другая обмотка с малым числом витков из проводников большого сечения включается последовательно с якорем. Ток якоря такого генератора равен I_a = I + I_в.

У этих генераторов параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (МДС этих обмоток направлены одинаково) и встречно (их МДС направлены противоположно). В зависимости от этого различаются генераторы смешанного согласного включения и генераторы смешанного встречного включения. Обычно в генераторах смешанного возбуждения основная часть МДС возбуждения создается параллельной обмоткой. Генераторы параллельного, последовательного и смешанного возбуждения иногда называют соответственно генераторами шунтового, сериесного и компаундного возбуждения.

Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2, параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2, последовательной обмотки возбуждения С1-С2, обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2, компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало, а 2 - конец обмотки.