Примерное распределение асинхронных двигателей

По механизмам в с.х. производстве

Механизмы	% от общего количества двигателей	Механизмы	% от общего количества двигателей
Вентиляторы	37,7	Транспортеры	19,9
Насосы	17,0	Смесители	5,5
Станки обрабатывающие	4,0	Компрессоры	2,8
Механизмы перемещения	4,0	Дробилки	2,4
Затворы, задвижки	3,7

Классификация электрических машин по основным признакам

Признак классификации	Электрические машины
Назначение	Двигатели		Генераторы				Спецмашины
Род тока	Переменного (ЭМПрТ)				Постоянного (ЭМПТ)
Напряжение	Высоковольтные (свыше 10,5 кВ)		Общепромышленные стандартного напряжения (от 6,3кВ до 220В)				Низковольтные (менее 110В)
Мощность	Микромашины (до 0,5 кВт)	Малой мощности (0,5-20 кВт)		Средней мощности (20-250 кВт)		Большой мощности (250-10000 кВт)		Предельной мощности (свыше 10МВт (ЭМПТ) и 1000 МВт (ЭМПрт)
Частота вращения	Высокоскоростные (3000-100000 об/мин)		Среднескоростные (500-3000 об/мин)				Низкоскоростные (500 об/мин – 1об/год)

Основой развития народного хозяйства Беларуси является широкая электрификация предприятий промышленности и сельского хозяйства, – основа технического прогресса. Только ее всестороннее развитие позволяет полностью механизировать производство, широко внедрить автоматику, намного увеличить производительность труда.

Широкое распространение электрических машин объясняется простотой передачи электроэнергии на большие расстояния и удобством ее использования. От тепловых, гидравлических электростанций, на которых расположены генераторы, электроэнергия по линиям электропередачи передается на тысячи километров до места ее потребления (трансформаторы). Основные потребители электроэнергии – электродвигатели.

Достоинства электрических машин

· Вырабатывают электрическую энергию, которую удобно передавать на расстояние, распределять между потребителями и преобразовывать в другие виды энергии;

· Обладают высоким коэффициентом полезного действия – от 65 до 85% для машин мощностью около 1 кВт и от 95 до 99% для машин большой мощности. В крупных современных трансформаторах КПД достигает значений, превышающих 99%. Следует заметить, что к. п. д. других современных машин, например тепловых, двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, не превышает 30–40%.

· Имеют малый удельный вес на 1 кВт мощности.

· Характеризуются относительно малой стоимостью, компактностью, долговечностью, простотой управления, удобством обслуживания и легко обеспечивают индивидуальный привод к каждому станку.

· Работают, совершенно не загрязняя окружающую среду: без дыма, выделения газов и вредных выхлопов, как, например, двигатели внутреннего сгорания.

В сельском хозяйстве используют в основном электрические машины общего назначения, т. е. машины, предназначенные для большинства отраслей народного хозяйства, причем главная часть – асинхронные трехфазные двигатели. Однако характер сельскохозяйственного производства, условия окружающей среды и технологические требования отличны от условий и режимов работы в промышленности и на строительстве. Эти особенности следует принимать во внимание. В некоторых случаях они вызывают необходимость создания специальных электрических машин, предназначенных именно для сельского хозяйства. Прежде всего следует отметить весьма разнообразные условия окружающей среды. Они зависят от климатической зоны, места установки электрооборудования (животноводческие помещения, мастерские, насосные станции и др.), времени года.

С точки зрения окружающей среды наиболее тяжелые условия создаются непосредственно в животноводческих помещениях. Здесь на электрооборудование одновременно воздействуют два сильнодействующих фактора: высокая влажность и химически активные вещества, содержащиеся в выделениях животных. Самый активный из этих веществ — аммиак. Электрическая изоляция в сухих отапливаемых помещениях служит в течение многих лет, не теряя своих качеств. Та же самая изоляция в условиях животноводческих ферм приходит в полную негодность в течение нескольких месяцев.

Для многих сельскохозяйственных машин характерен большой диапазон изменения нагрузки. В отличие от большинства промышленных установок перерабатываемое сырье имеет изменяющиеся в больших пределах физико-механические свойства. Это приводит к большим колебаниям нагрузки. В подавляющем большинстве машин и агрегатов подачу материала регулировали вручную. В таких условиях возрастает вероятность появления больших перегрузок и как следствие – вероятность возникновения аварийных ситуаций. Лишь в последнее пять лет, все больше стали переходить от нерегулируемого асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором до сложных регулируемых электромеханических систем.

Электрическая машина — машина, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую переменного тока (генератор), или электрической энергии переменного тока в механическую (двигатель), либо электрической энергии в электрическую другого рода, другого напряжения или частоты (преобразователь).

В принципе действия любой электрической машины лежит закон электромагнитной индукции и закон электромагнитной силы (закон Ампера).

Закон электромагнитной индукции (для трансформатора). В любом замкнутом контуре при изменения потока магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром, индуцируется ЭДС . Знак говорит о том, что ЭДС стремится ослабить причину, ее вызывающую.

Закон электромагнитной индукции (для генератора). При движении линейного проводника со скоростью ν в однородном магнитном поле с индукцией B в нем индуцируется ЭДС e = В · l ·ν. Направление силы определяется правилом правой руки.

Закон Ампера. На линейный проводник длиной l с током I в однородном магнитном поле с индукцией В действует механическая сила F = В · I · l. Направление силы определяется правилом левой руки.

Таким образом, для работы электрической машины необходимо соблюдение условий:

· наличие магнитного потока, который создается постоянным магнитом или током;

· наличие среды, проводящей электрический ток (проводник, рамка из проводникового материала, обмотка якоря и т.д.);

· относительное изменение магнитного потока и проводящей среды (генератор) или наличие в проводящей среде электрического тока (двигатель).

Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине происходит в результате взаимодействия электрического, магнитного и механического процессов. Для организации каждого из процессов в машине имеются соответствующие конструктивные элементы. Магнитные процессы организуются посредством магнитопровода (сердечники), электрические – токопроводов (обмоток), а механические – посредством вращающегося ротора.

Принципы электромеханического преобразования энергии

· Принцип обратимости – любая электрическая машина может работать как электрическим генератором, так и механическим двигателем, обусловлено универсальностью магнитного поля как энергоносителя. При работе электрической машины в режимах генератора или двигателя одновременно наблюдаются как процесс индуцирования ЭДС, определяемой законом электромагнитной индукции, так и явление возникновения электромагнитных сил, определяемых законом Ампера.

· Принцип саморегулирования – электромагнитные и механические процессы преобразования так регулируют свое взаимодействие (изменяют параметры U , I , n , M , cosφ и др.) чтобы энергия подводимая соответствовала энергии отдаваемой. Величину преобразованной энергии всегда определяет механическая мощность. У генератора это подводимая к валу механическая мощность: сколько подвели – столько и преобразовали. У двигателя это механическая мощность, снимаемая с вала и отдаваемая подсоединенному к валу механизму: сколько требуется – столько и возьмем от электрического источника питания.

Рассмотрим работу генератора постоянного тока независимого возбуждения

· Выводы обмотки возбуждения(Н1-Н2) подключим к источнику постоянного напряжения , тем самым образовав замкнутую электрическую цепь для обмотки возбуждения. Под действием напряжения (разность потенциалов) по обмотке возбуждения потечет постоянный электрический ток возбуждения , который возбудит в магнитной системе машины основное магнитное поле Ф₀ (магнитный процесс). Обмотка возбуждения распределена на две части (может быть и больше, но обязательно четное число), это необходимо для образования разноименных магнитных полюсов N и S. Основное магнитное поле можно создать и с помощью постоянных магнитов.

· Если внешней приводной машиной (турбина, дизель и др.), затратить механическую энергию (механический процесс), создав вращающий механический момент привести якорь во вращение, в проводниках обмотки якоря, находящейся в магнитном поле полюсов, по закону электромагнитной индукции будет индуцироваться переменная ЭДС-вращения. Направление ЭДС в проводнике определяется по правилу правой руки. Через коллектор и щетки, ЭДС будет поддерживать разность потенциалов (напряжение генератора ) на зажимах обмотки якоря (Я1-Я2). Благодаря наличию коллектора напряжение на зажимах будет постоянным.

· Затем необходимо замкнуть выводы обмотки якоря (Я1-Я2) на внешнюю нагрузку (лампа накаливания, аккумулятор при зарядке и др.) образовав замкнутую электрическую цепь для обмотки якоря. ЭДС, преодолевая сопротивление обмотки якоря и сопротивление нагрузки, вызовет протекание тока якоря (электрический процесс), который будет являться и током нагрузки .

· При нагрузке по обмотке якоря протекает ток якоря , который, взаимодействуя с магнитным полем машины Ф₀ вызовет, по закону Ампера, действие на проводники обмотки якоря электромагнитных сил , направление которых определяется по правилу левой руки. В результате влияния этих сил появляется электромагнитный (тормозящий) момент направленный встречно вращающему , приводная машина испытывает сопротивление.

Таким образом, в результате взаимодействия магнитного, механического и электрического процессов произошло преобразование механической энергии в электрическую.

В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга. К этим полукольцам и присоединяются концы обмотки, в которой наводится переменное напряжение. К поверхности этих вращающихся полуколец прижаты неподвижно закрепленные угольные (или графитовые) щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью. Коллектор механически соединен с якорем.

Левая щетка через контактное полукольцо (а) касается того активного проводника (1), который расположен под полюсом N. Как только этот проводник перейдет под другой магнитный полюс, он войдет в контакт с правой щеткой, а к левой щетке подойдет другой активный проводник (2) витка, ранее находившийся под полюсом S. Переключение проводников под щетками будет периодически повторятся по мере вращения якоря. При этом к левой щетке всегда будет подключатся проводник, находящийся под полюсом N, а к правой щетке – находящийся под S. Это означает, что щетки приобретают постоянную полярность. Левая щетка имеет полярность (–), а правая – (+). Таким образом, происходит выпрямление ЭДС якоря, а следовательно, и тока якоря внешней цепи.

Генератор с одной парой коллекторных пластин (два полукольца) будет давать ток постоянный по направлению, но не по величине: за каждые полоборота ток возрастает от нуля до наибольшей величины и вновь спадает до нуля (100% пульсация). С увеличением числа витков, распределенных в пазах якоря, и коллекторных пластин пульсация напряжения на щетках уменьшается.

Машинами постоянного тока называются электрические машины, у которых преобразование энергии происходит вследствие вращения якорной обмотки относительно неподвижного магнитного потока полюсов, а выпрямление тока в постоянный и наоборот осуществляется коллектором.

Машина постоянного тока, как и всякая электрическая машина, состоит из неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частей, разделенных воздушным зазором.

Вращающуюся часть машины постоянного тока принято называть не ротором, а якорем, так как это та часть, в которой индуктируется ЭДС. Якорь машины состоит из сердечника, обмотки и коллектора. На валу якоря укреплен вентилятор, к коллектору прилегают неподвижные щетки, установленные в щеткодержателях траверсы.

Индуктор (или статор) машины состоит из станины, обычно выполняемой из стальной трубы и полюсов. Станина служит основанием для крепления с помощью болтов главных полюсов (сердечник, обмотка возбуждения), предназначенных для создания основного магнитного потока и добавочных полюсов (сердечник, обмотка), служащих для достижения безыскровой работы щеток на коллекторе (улучшения коммутации).

Станина является одним из участков магнитной цепи, по которой замыкается основной магнитный поток. В нижней наружной части станина имеет лапы, при помощи которых машину крепят на фундаменте. С торцевых сторон станины крепят боковые щиты с подшипниками, удерживающими вал машины. Подключение к питающей сети обмоток якоря и возбуждения выполняется с помощью кабелей через сальниковые вводы коробок выводов, расположенных на боковой поверхности станины

Таким образом, машины постоянного тока имеют магнитопроводящие сердечники, токопроводящие обмотки, охлаждающую и конструктивную системы, обеспечивающую механическую прочность.

Якорь машины представляет собой цилиндр, набранный из штампованных стальных листов, изолированных друг от друга и запрессованных на валу (сердечник). В его пазы укладываются провода обмотки якоря, соединяемые друг с другом по определенной схеме. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями. На валу якоря помещается коллектор, к которому через щетки присоединяется внешняя цепь.

Сердечник якоря (магнитопровод) собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм, покрытых перед сборкой лаком для снижения вихревых токов, возникающих при перемагничивании якоря во время его вращения в магнитном поле, создаваемой обмоткой возбуждения.

Для выпрямления ЭДС (и тока) на якоре имеется коллектор, состоит из активной части (пластин) и крепежной конструкции. Коллекторные пластины выполняют из холоднокатаной (коллекторной) меди и изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита.

Внешняя цепь машины имеет электрический контакт с коллектором посредством графитных, угольных или металлографитных щеток, которые размещаются в обоймах щеткодержателей и прижимаются к поверхности коллектора пружинами. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируют от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепятся либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток относительно полюсов машины. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение относительно полюсов машины.

Для работы машин постоянного тока необходимо наличие в нем магнитного поля. Для создания магнитного поля в машине используют постоянные магниты или электромагниты (сердечник с обмоткой возбуждения), которые образуют главные полюса.

Возбудить машину – означает навести (создать) в ней основной магнитный поток.

В машинах мощностью более 1000 Вт между главными устанавливают добавочные полюсы, которые служат для улучшения коммутации. Они, так же, как и главные, прикрепляются к станине болтами. Направление токов в обмотках возбуждения выбирается с таким расчетом, чтобы соседние полюсы были разноименными, т.е. чтобы рядом с северным находился южный полюс, и т.д.

Электромагниты (полюса) должны создать магнитное поле, линии которого сцепляются с витками якорной обмотки. Магнитные линии, проходящие мимо обмотки, совершенно бесполезны. Величина магнитного потока должна быть по возможности большой, так как чем больше магнитный поток, тем больше величина ЭДС, индуктируемой в якоре.

Из описанного выше следует, что система возбуждения имеет в ней важное значение.

Системы возбуждения зависят от конструкции и назначения машины постоянного тока.

При независимом возбуждении основной магнитный поток создается постоянными магнитами или обмоткой возбуждения (Н1-Н2), питаемой постоянным током от независимого источника (аккумуляторная батарея, вспомогательный генератор или возбудитель постоянного тока, выпрямитель переменного тока).

Для промышленных целей в основном применяют генераторы постоянного тока с самовозбуждением. Для таких машин не требуется дополнительного источника питания, питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора.

При параллельном возбуждении обмотка возбуждения (шунтовая, Ш1-Ш2) подключается параллельно обмотке якоря и цепи нагрузки. Обмотки параллельного возбуждения имеют большое количество витков, намотанных проводом малого сечения. Поэтому их омическое сопротивление большое и по ним протекает небольшой ток. В результате мощность обмоток параллельного возбуждения составляет 1–5% номинальной мощности машины. Ток возбуждения составляет 1–5% от номинального тока якоря I _а _Н или тока нагрузки I _Вш = I _а _Н– I _Н .

В цепях обмоток параллельного возбуждения, а часто также в цепи обмотки независимого возбуждения для регулирования тока возбуждения включают реостаты R _РЕГ.

При последовательном возбуждении обмотка возбуждения (сериесная, С1-С2) подключается последовательно обмотке якоря. По обмоткам последовательного возбуждения проходит ток якоря. Поэтому они имеют относительно малое количество витков, выполненных проводом большого сечения. Ток возбуждения последовательной обмотки возбуждения равен току нагрузки I _Вс = I _Н .

Машины смешанного возбуждения (компаундные)имеют две обмотки возбуждения, расположенные на общих главных полюсах: параллельную и последовательную. Параллельная и последовательная обмотки могут быть включены согласно (направления магнитных потоков этих обмоток совпадают) и встречно (направления магнитных потоков обмоток направлены противоположно друг другу).

Якорь машины представляет собой цилиндр, набранный из штампованных стальных листов, изолированных друг от друга и запрессованных на валу (сердечник). В его пазы укладываются провода обмотки якоря, соединяемые друг с другом по определенной схеме. Обмотка якоря изолируется от пазов и крепится в них специальными клиньями. На валу якоря помещается коллектор, к которому через щетки присоединяется внешняя цепь.

Трансформатор – статистический электромагнитный аппарат преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения.

Тороидальный

Стержневой

Броневой

Назначение:

Применяются в системах передачи и распределения электроэнергии (силовые). Грамотно сконструированный трансформатор может иметь КПД порядка 99%; столь низки потери энергии в нем. Таким образом, выходная мощность трансформатора практически равна входной, и, поскольку мощность равна Р = IU, имеем:

тепловые потери в линии

общая мощность

Чем выше напряжение в линии, тем меньше сила тока, и тем меньшая доля мощности теряется в линии электропередачи

Являются элементами электроприводов, нагревательных и осветительных других установок, где они осуществляют преобразование напряжения питающей сети до значений, необходимых для работы электродвигателей, нагревательных печей, сварочных аппаратов и других электроустройств.

Для установок со статическими преобразователями (ионными или полупроводниковыми);

Для включения электрических измерительных приборов в сети высокого напряжения или сильного тока (измерительные);

Для получения высоких и сверхвысоких напряжений, необходимых при испытаниях на электрическую прочность электроизоляционных изделий (испытательные);

Применяются в устройствах радио- и проводной связи, в системах автоматики и телемеханики для получения требуемых напряжений, согласования сопротивлений электрических цепей, гальванического разделения цепей и др. (радиотрансформаторы).

Согласно закону Ленца ток должен иметь противоположное току направление. При этом ток и напряжение на нагрузке могут совпадать по фазе с первичным током и напряжением или быть с ними в противофазе (рис.1.29).

го схема замещения магнитной цепи

Зависимость напряжения на вторичной обмотке трансформатора от тока нагрузки или коэффициента нагрузки при постоянном напряжении на первичной обмотке называется внешней характеристикой трансформатора.

Внешняя характеристика дает возможность определить падение напряжения в трансформаторе при любой нагрузке и потому играет большую роль при суждении о пригодности трансформатора для тех или иных условий работы.

Изменение вторичного напряжения, %

– активная составляющая напряжения короткого замыкания, %

– реактивная составляющая напряжения короткого замыкания, %

– вторичное напряжение при нагрузке, В;

– номинальное вторичное напряжение, В;

«+» – при индуктивном характере нагрузки;

«–» – при емкостном характере нагрузки.

При чисто активной нагрузке ( ) и активно-индуктивной нагрузке ( , 0), при переходе от ХХ к номинальному режиму, напряжение уменьшается под действием падения напряжения в активном и индуктивном сопротивлениях первичной и вторичной обмоток (внешние характеристики имеют падающий характер).

При активно-емкостной нагрузке ( , 0), рост тока нагрузки может сопровождаться увеличением напряжения на выходе: в силу того, что в формуле для приобретают знак ( – ).

В силовых трансформаторах за номинальное вторичное напряжение принимают напряжение на зажимах вторичной обмотки при холостом ходу и номинальном первичном напряжении.

Максимальное падение напряжения будет при , где – угол между током и напряжение в опыте короткого замыкания.

Регулирование напряжения в трансформаторах необходимо: для стабилизации вторичного напряжения. ГОСТ требует, чтобы отклонения напряжения у потребителей не превышали ± 5% от номинального.

Причины: большая протяженность линий электропередач; колебания нагрузки.

Для регулирования при отключенной нагрузке используют переключатели ПБВ в пределах ± 5%, ступенями по 2,5% (надбавки трансформатора), например, если первичное напряжение 10кВ, на вторичной стороне 380, 390, 400, 410, 420В. Для этого на обмотке высшего напряжения делают ответвления (больше витков – точность регулирования; ток и сечение меньше – легче сделать отпайки).

Трансформаторы с РПН (под нагрузкой) более предпочтительны, диапазон регулирования до ± 10…16%, ступенями по 1,5% (см. стр. 20).

Преобразование электрической энергии в трансформаторе сопровождается потерями энергии на нагрев сердечника от гистерезиса и вихревых токов Фуко (магнитные потери ) и обмоток (электрические потери ).

Процесс преобразования энергии в трансформаторе иллюстрирует энергетическая диаграмма .

Электрические потери происходят от омического сопротивления обмоток; они пропорциональны квадратам токов , протыкаемых по обмоткам, их сопротивлений и числа фаз обмоток . Т.к. обусловлены протеканием токов, то зависят от изменения нагрузки, являются переменными, могут быть определены из опыта КЗ, при этом график зависимости – парабола.

Потери на гистерезис происходят от работы, которая затрачивается на преодоление молекулярного трения при перемагничивании железа. Эти потери за один период перемагничивания железа пропорциональны площади петли гистерезиса, следовательно, они зависят от величины магнитной индукции в железе трансформатора.

Потери от вихревых токов от паразитных токов, которые индуктируются переменным магнитным потоком в листах железа трансформатора. Эти токи проходят в поперечном сечении каждого листа по примерным путям, указанным на рис.

Магнитные потери определяются величиной и частотой изменения магнитного потока в сердечнике трансформатора, а так как поток почти не зависит от нагрузки, то потери в стали остаются почти постоянными и равными потерям в режиме ХХ. График зависимости – прямая, параллельная оси β.

Для уменьшения магнитных потерь применяют магнитномягкие (узкая петля гистерезиса) материалы и собирают сердечник из листов (шихтовка), изолированных между собой.

Суммарные потери мощности в трансформаторе

Под КПД трансформатора, так же как и всякой другой электрической машины, понимается отношение отдаваемой трансформатором мощности , к подводимой мощности , выраженной в тех же единицах что .

При β=0 η=0. С ростом отдаваемой мощности η увеличивается, т.к. в энергетическом балансе уменьшается удельное значение магнитных потерь, имеющих приблизительно постоянное значение. При некотором значении КПД достигает максимума, после чего начинает уменьшаться с ростом тока нагрузки. Причиной этого является увеличение электрических потерь, возрастающих пропорционально квадрату тока (или ), в то время как полезная мощность растет пропорционально β.

Наибольший коэффициент полезного действия трансформатор имеет при такой нагрузке, при которой потери электрические равны потерям магнитным.

Коэффициент полезного действия трансформаторов находится в пределах 70–99% в зависимости от мощности.

При уменьшении величины КПД уменьшается, т.к. возрастают токи и , при которых трансформатор имеет заданную мощность .

Обмотки трансформатора соединяются звездой (Y) или треугольником (). Соединение обмоток звездой целесообразнее при больших питающих напряжениях и малых токах. При больших токах применяют соединение треугольником. При больших напряжениях питающей сети и больших токах нагрузки наиболее целесообразный способ соединения обмоток трансформатора - (Y/) (рис.1.28). Отношение всегда равно трансформатора, а отношение линейных напряжений зависит от способа соединений обмоток трансформатора. Изменяя способ соединения обмоток трансформатора, можно регулировать выходное напряжение.

Трансформаторная группа из трех трансформаторов дороже, чем трехфазный трансформатор той же мощности, она занимает больше места и ее КПД ниже. Но в случае аварии в группе трансформаторов, как правило, выходит из строя лишь один из трех трансформаторов. Таким образом, группа из трех трансформаторов обеспечивает большую эксплуатационную надежность. Большинство трансформаторов малой и средней мощности выполняются трехфазными. Начиная с мощности 3 x 600 = 1800 кВА, допускается применение трех трансформаторов, вместо одного.

Все многообразие способов соединений согласно ГОСТ делится на 12 групп. При определении номера группы (рис.1.30) минутная стрелка часов устанавливается на цифре 12 и с ней совмещается вектор линейного высшего напряжения, а часовая стрелка

совмещается с вектором линейного низшего напряжения. Отсчет угла производится от минутной стрелки к часовой по направлению их вращения

Дата добавления: 2021-05-18; просмотров: 66; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!