- •Введение § в.1. Назначение электрических машин и трансформаторов
- •§ В.2. Электрические машины — электромеханические преобразователи энергии
- •§ В.З. Классификация электрических машин
- •Трансформаторы
- •Глава 1 • Рабочий процесс трансформатора § 1.1. Назначение и области применения трансформаторов
- •§ 1.2. Принцип действия трансформаторов
- •§1.3. Устройство трансформаторов
- •§ 1.4. Уравнения напряжений трансформатора
- •§ 1.5. Уравнения магнитодвижущих сил и токов
- •§ 1.6. Приведение параметров вторичной обмотки и схема замещения приведенного трансформатора
- •§ 1.7. Векторная диаграмма трансформатора
- •§ 1.8. Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
- •§ 1.9. Явления при намагничивании магнитопроводов трансформаторов
- •§ 1.10. Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода
- •§ 1.11. Опытное определение параметров схемы замещения трансформаторов
- •§ 1.12. Упрощенная векторная диаграмма трансформатора
- •§ 1.13. Внешняя характеристика трансформатора
- •§ 1.14. Потери и кпд трансформатора
- •§ 1.15. Регулирование напряжения трансформаторов
- •Контрольные вопросы
- •Глава 2 • Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов § 2.1. Группы соединения обмоток
- •§ 2.2. Параллельная работа трансформаторов
- •Глава 3. Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы § 3.1. Трехобмоточные трансформаторы
- •§ 3.2. Автотрансформаторы
- •Глава 4. Переходные процессы в трансформаторах § 4.1. Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов
- •§ 4.2. Перенапряжения в трансформаторах и защита от перенапряжений
- •4.7. Начальное распределение напряжения по длине обмотки при заземленной (а) и изолированной (б) нейтралях
- •Глава 5. Трансформаторные устройства специального назначения § 5.1. Трансформаторы с плавным регулированием напряжения
- •§ 5.2. Трансформаторы для выпрямительных установок
- •§ 5.3. Трансформаторы для автоматических устройств
- •§ 5.4. Трансформаторы для дуговой электросварки
- •§ 5.5. Охлаждение трансформаторов
- •Контрольные вопросы
- •2 Раздел
- •Глава 6
- •§ 6.1. Принцип действия синхронного генератора
- •Эта формула показывает, что при неизменной частоте вращения ротора форма кривой
- •§ 6.2. Принцип действия асинхронного двигателя
- •Контрольные вопросы
- •Глава 7
- •§ 7.1. Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора
- •§ 7.2. Электродвижущая сила катушки
- •§ 7.3. Электродвижущая сила катушечной группы
- •§ 7.4. Электродвижущая сила обмотки статора
- •§ 7.5. Зубцовые гармоники эдс
- •Глава 8
- •§ 8.1. Трехфазные двухслойные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу
- •Если половину катушечных групп каждой фазной обмотки соединить последовательно в одну ветвь, а затем две ветви соединить параллельно, то получим последовательно –
- •§ 8.2. Трехфазная двухслойная обмотка с дробным числом пазов на полюс и фазу
- •Для этой обмотки эквивалентные параметры будут
- •§ 8.3. Однослойные обмотки статора
- •§ 8.4. Изоляция обмотки статора
- •Глава 9
- •§ 9.1. Магнитодвижущая сила сосредоточенной обмотки
- •§ 9.2. Магнитодвижущая сила распределенной обмотки
- •Например, амплитуда основной гармоники мдс
- •С учетом изложенного амплитуда мдс обмотки фазы статора
- •Мдс однофазной обмотки статора прямо пропорциональна переменному току в этой
- •§ 9.3. Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора
- •§ 9.4. Круговое, эллиптическое и пульсирующее магнитные поля
- •§ 9.5. Высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы трехфазной обмотки
- •3 Раздел
- •Асинхронные машины
- •Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели
- •Глава 10
- •§ 10.1. Режим работы асинхронной машины
- •§ 10.2. Устройство асинхронных двигателей
- •Глава 11
- •§11.1. Основные понятия
- •§ 11.2. Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя
- •§ 11.3. Магнитные потоки рассеяния асинхронной машины
- •§ 11.4. Роль зубцов сердечника в наведении эдс и создании электромагнитного момента
- •Контрольные вопросы
- •Глава 12
- •§12.1. Уравнения напряжений асинхронного двигателя
- •§ 12.2. Уравнения мдс и токов асинхронного двигателя
- •§ 12.3. Приведение параметров обмотки ротора и векторная диаграмма асинхронного двигателя
- •Глава 13
- •§13.1. Потери и кпд асинхронного двигателя
- •§ 13.2. Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя
- •Результаты расчета
- •§ 13.3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменениях напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора
- •§ 13.4. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
- •§ 13.5. Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя
- •Контрольные вопросы
- •Глава 14
- •§ 14.1. Основные понятия
- •§ 14.2. Опыт холостого хода
- •Для асинхронных двигателей с фазным ротором в опыте холостого хода определяют
- •§ 14.3. Опыт короткого замыкания
- •§ 14.4. Круговая диаграмма асинхронного двигателя
- •§ 14.5. Построение рабочих характеристик асинхронного двигателя по круговой диаграмме
- •§ 14.6. Аналитический метод расчета рабочих характеристик асинхронных двигателей
- •Коэффициент мощности двигателя
- •Глава 15
- •§15.1. Пуск двигателей с фазным ротором
- •§ 15.2. Пуск двигателей с короткозамкнутым ротором
- •§ 15.3. Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками
- •§ 15.4. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей Частота вращения ротора асинхронного двигателя
- •Глава 16
- •§16.1. Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя
- •§ 16.2. Асинхронные конденсаторные двигатели
- •§ 16.3. Работа трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети
- •§ 16.4. Однофазный двигатель с экранированными полюсами
- •Глава 17
- •§ 17.1. Индукционный регулятор напряжения и фазорегулятор
- •§ 17.2. Асинхронный преобразователь частоты
- •§ 17.3. Электрические машины синхронной связи
- •§ 17.4. Асинхронные исполнительные двигатели
- •§ 17.5. Линейные асинхронные двигатели
- •Глава 18
- •§18.1. Нагревание и охлаждение электрических машин
- •§ 18.2. Способы охлаждения электрических машин
- •§ 18.3. Конструктивные формы исполнения электрических машин
- •§ 18.4. Серии трехфазных асинхронных двигателей
- •Глава 21.
- •Параллельная работа синхронных генераторов.
- •§ 21.1. Включение генераторов на параллельную работу.
- •§ 21.2. Нагрузка генератора, включенного на параллельную работу.
- •§ 21.3. Угловые характеристики синхронного генератора
- •Индуктивное сопротивление реакции якоря по продольной оси [см. (20.24)]
- •§ 21.4. Колебания синхронных генераторов
- •§ 21.5. Синхронизирующая способность синхронных машин
- •Удельный синхронизирующий момент
- •§ 21.6. U-образные характеристики синхронного генератора
- •§ 21.7. Переходные процессы в синхронных генераторах
- •§22.1. Принцип действия синхронного двигателя
- •§ 22.2. Пуск синхронных двигателей
- •§ 22.3. U–образные и рабочие характеристики синхронного двигателя
- •§ 22.4. Синхронный компенсатор
- •Глава 23 • Синхронные машины специального назначения
- •§ 23.1. Синхронные машины с постоянными магнитами
- •§ 23.2. Синхронные реактивные двигатели
- •§ 23.3. Гистерезисные двигатели
- •§ 23.4. Шаговые двигатели
- •§ 23.5. Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и электромагнитным возбуждением
- •§ 23.6. Индукторные синхронные машины
- •Раздел 5 коллекторные машины
- •Глава 24
- •§ 24.1. Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока
- •§ 24.2. Устройство коллекторной машины постоянного тока
- •Глава 25
- •§ 25.1. Петлевые обмотки якоря
- •§ 25.2. Волновые обмотки якоря
- •§ 25. 3. Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря
- •§ 25.4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока
- •§ 25.5. Выбор типа обмотки якоря
- •Глава 26
- •§ 26.1. Магнитная цепь машины постоянного тока
- •§ 26.2. Реакция якоря машины постоянного тока
- •26.4. Магнитное поле машины и распределение магнитной индукции
- •§ 26.3. Учет размагничивающего влияния реакции якоря
- •§ 26.4. Устранение вредного влияния реакции якоря
- •§ 26.5. Способы возбуждения машин постоянного тока
- •Глава 27
- •§ 27.1. Причины, вызывающие искрение на коллекторе
- •Из одной параллельной ветви в другую
- •§ 27.2. Прямолинейная коммутация
- •§ 27.3. Криволинейная замедленная коммутация
- •Замедленной (а) и ускоренной (б) видах коммутации
- •§ 27.4. Способы улучшения коммутации
- •Зазоре машины с добавочными полюсами в
- •Генераторном (г) и двигательном (д) режимах
- •Добавочных полюсов
- •§ 27.5. Круговой огонь по коллектору
- •И расположение между щетками (б)
- •§ 27.6. Радиопомехи от коллекторных машин и способы их подавления
- •Контрольные вопросы
- •Глава 28
- •§ 28.1. Основные понятия
- •§ 28.2. Генератор независимого возбуждения
- •§ 28.3. Генератор параллельного возбуждения
- •§ 28.4. Генератор смешанного возбуждения
- •Глава 29
- •§ 29.1. Основные понятия
- •§ 29.2. Пуск двигателя
- •§ 29.3. Двигатель параллельного возбуждения
- •§ 29.4. Регулирование частоты вращения двигателей параллельного возбуждения
- •§ 29.5. Режимы работы машины постоянного тока
- •§ 29.6. Двигатель последовательного возбуждения
- •§ 29.7. Двигатель смешанного возбуждения
- •§ 29.8. Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока
- •§ 29.9. Машины постоянного тока серий 4п и 2п
- •§ 29.10. Универсальные коллекторные двигатели
- •Глава 30
- •§ 30.1. Электромашинный усилитель
- •§ 30.2. Тахогенератор постоянного тока
- •§ 30.3. Бесконтактный двигатель постоянного тока
- •§ 30.4. Исполнительные двигатели постоянного тока
§ 29.7. Двигатель смешанного возбуждения
Двигатель смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную (рис. 29.12, а). Частота вращения этого двигателя
, (29.17)
где и — потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения.
Знак плюс соответствует согласованному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток возрастает (за счет потока последовательной обмотки ), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя. При встречном включении обмоток поток при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак минус), что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.
На рис. 29.12, б показаны рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласованном включении обмоток возбуждения, а на рис. 29.12, в — механические характеристики. В отличие от механических характеристик двигателя последовательного возбуждения последние имеют более пологий вид.
Рис. 29.12. Схема двигателя смешанного возбуждения (а), его рабочие (б) и механические (в) характеристики
Следует отметить, что по своей форме характеристики двигателя смешанного возбуждения занимают промежуточное положение между соответствующими характеристиками двигателей параллельного и последовательного возбуждения в зависимости от того, в какой из обмоток возбуждения (параллельной или последовательной) преобладает МДС.
Двигатель смешанного возбуждения имеет преимущества по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки ограничивает частоту вращения двигателя в режиме х.х. и устраняет опасность «разноса». Регулировать частоту вращения этого двигателя можно реостатом в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения делает двигатель смешанного возбуждения более дорогостоящим по сравнению с двигателями рассмотренных выше типов, что несколько ограничивает его применение. Двигатели смешанного возбуждения применяют обычно там, где требуются значительные пусковые моменты, быстрое ускорение при разгоне, устойчивая работа и допустимо лишь небольшое снижение частоты вращения при увеличении нагрузки на вал (прокатные станы, грузовые подъемники, насосы, компрессоры).
§ 29.8. Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока
В машинах постоянного тока, как и в других электрических машинах, имеют место магнитные, электрические и механические потери (составляющие группу основных потерь) и добавочные потери.
Магнитные потери происходят только в сердечнике якоря, так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь, состоящих из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов, зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря, толщины листов электротехнической стали, ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.
Электрические потери в коллекторной машине постоянного тока обусловлены нагревом обмоток и щеточного контакта. Потери в цепи возбуждения определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате, включенном в цепь возбуждения:
(29.18)
Здесь — напряжение на зажимах цепи возбуждения. Потери в обмотках цепи якоря
(29.19)
где сопротивление обмоток в цепи якоря , приведенное к расчетной рабочей температуре , определяется по (13.4) с учетом данных, приведенных в § 13.1 и § 8.4.
Электрические потери также имеют место и в контакте щеток:
(29-20)
где — переходное падение напряжения, В, на щетках обеих полярностей, принимаемое в соответствии с маркой щеток по табл. 27.1.
Электрические потери в цепи якоря и в щеточном контакте зависят от нагрузки машины, поэтому эти потери называют переменными.
Механические потери. В машине постоянного тока механические потери складываются из потерь от трения щеток о коллектор
(29.21)
трения в подшипниках и на вентиляцию
(29.22)
где — коэффициент трения щеток о коллектор — поверхность соприкосновения всех щеток с коллектором, м2; — удельное давление, Н/м2, щетки [для машин общего назначения =(2÷3)·104 Н/м2];
окружная скорость коллектора (м/с) диаметром (м)
. (29.23)
Механические и магнитные потери при стабильной частоте вращения можно считать постоянными.
Сумма магнитных и механических потерь составляют потери х.х.:
. (29.24)
Если машина работает в качестве двигателя параллельного возбуждения в режиме х.х., то она потребляет из сети мощность
. (29.25)
Однако ввиду небольшого значения тока электрические потери и весьма малы и обычно не превышают 3% потерь . Поэтому, не допуская заметной ошибки, можно записать , откуда потери х.х.
. (29.26)
Таким образом, потери х.х. (магнитные и механические) могут быть определены экспериментально.
В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь — добавочных. Эти потери складываются из потерь от вихревых токов в меди обмоток, потерь в уравнительных соединениях, в стали якоря из-за неравномерного распределения индукции при нагрузке, в полюсных наконечниках, обусловленных пульсацией основного потока из-за наличия зубцов якоря, и др. Добавочные потери составляют хотя и небольшую, но не поддающуюся точному учету величину. Поэтому, согласно ГОСТу, в машинах без компенсационной обмотки значение добавочных потерь принимают равным 1% от полезной мощности для генераторов или 1% от подводимой мощности для двигателей. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равным соответственно 0,5%.
Мощность (Вт) на входе машины постоянного тока (подводимая мощность):
для генератора (механическая мощность)
(29.27)
где — вращающий момент приводного двигателя, Н∙м;
для двигателя (электрическая мощность)
. (29.28)
Мощность (Вт) на выходе машины (полезная мощность):
для генератора (электрическая мощность)
; (29.29)
для двигателя (механическая мощность)
. (29.30)
Здесь и — момент на валу электрической машины, Н-м; — частота вращения, об/мин.
Коэффициент полезного действия. Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляемой) ,:
.
Определив суммарную мощность вышеперечисленных потерь
, (29.31)
можно подсчитать КПД машины по одной из следующих формул:
для генератора
; (29.32)
для двигателя
. (29.33)
Обычно КПД машин постоянного тока составляет 0,75—0,90 для машин мощностью от 1 до 100 кВт и 0,90—0,97 для машин мощностью свыше 100 кВт. Намного меньше КПД машин постоянного тока малой мощности. Например, для машин мощностью от 5 до 50 Вт = 0,15÷0,50. Указанные значения КПД соответствуют номинальной нагрузке машины. Зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки выражается графиком , форма которого характерна для электрических машин (рис. 29.13).
Рис. 29.13. Зависимость
Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять: а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной и отдаваемой мощностей; б) косвенным методом по результатам измерений потерь.
Метод непосредственной нагрузки применим только для машин малой мощности, для остальных случаев применяется косвенный метод, как более точный и удобный. Установлено, что при > 80 % измерять КПД методом непосредственной нагрузки нецелесообразно, так как он дает большую ошибку, чем косвенный метод.
Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя, когда потребляемая машиной постоянного тока мощность затрачивается только на потери х.х. [см. (29.26)]. Что же касается электрических потерь, то их определяют расчетным путем после предварительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.
Пример 29.1. Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения (см. рис. 29.3) включен в сеть с напряжением 220 В. При номинальной нагрузке и частоте вращения об/мин он потребляет ток = 43 А. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке, если ток х.х. = 4 А, а сопротивления цепей якоря = 0,25 Ом и возбуждения = 150 Ом. При каком добавочном сопротивлении , включенном последовательно в цепь якоря, частота вращения двигателя будет = 1000 об/мин (нагрузочный момент )?
Решение. Ток возбуждения = 220/150 =1,47 А. Ток якоря в режиме х.х. = 4 - 1,47 = 2,53 А. Ток якоря номинальный = 43 - 1,47 = 41,53 А. Сумма магнитных и механических потерь = 220- 2,53 -2,532- 0,25 = 555 Вт. Электрические потери в цепи возбуждения по (29.18)
Вт.
Электрические потери в цепи якоря по (29.19)
Вт.
Электрические потери в щеточном контакте по (29.20)
Вт.
Подводимая к двигателю мощность по (29.28)
Вт.
Добавочные потери
Вт.
Суммарные потери по (29.31)
Вт.
Полезная мощность двигателя
Вт.
КПД двигателя при номинальной нагрузке
.
Из выражения (29.5) получим
ЭДС якоря при частоте вращения 1000 об/мин по (25.20)
В.
Так как ток якоря прямо пропорционален моменту [см (25.24)], то при сила тока после включения останется прежней А. Из выражения тока якоря (29.2) получим
Ом.
Электрические потери в добавочном сопротивлении
Вт.
Полезная мощность двигателя при частоте вращения 1000 об/мин
Вт.
Расчет полезной мощности является приближенным, так как он не учитывает уменьшение механических потерь двигателя при его переходе на меньшую частоту вращения.