Торможение противовключением.

Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение

«Пермский нефтяной колледж»

 

Электрические машины

(базовый курс)

 

 

Учебное пособие

Специальность 15.02.07

«Автоматизация технологических процессов и производств»

(для всех форм обучения)

 

Пермь, 2017

 

 

Составитель: кандидат технических наук доцент Хлыбов Александр Борисович

 

Рекомендовано предметной цикловой комиссией электротехнических дисциплин

Протокол №    от                               2017г.

 

Оглавление

1. Классификация и принцип действия электрических машин	4
2. Машины переменного тока	5
Асинхронные машины. Основные понятия и область применения	5
Устройство асинхронного двигателя	6
Принцип действия и режим работы асинхронного двигателя	7
Зависимость электромагнитного момента от скольжения	9
Механическая характеристика асинхронного двигателя	10
Пуск асинхронных двигателей	11
Тормозные режимы асинхронных машин	13
Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя	15
Коэффициент мощности асинхронного двигателя	15
3. Машины переменного тока	16
Синхронные машины. Основные понятия и область применения	16
Принцип действия и устройство синхронных машин	17
Характеристики синхронного генератора	20
Параллельная работа синхронных генераторов	21
Синхронные двигатели. Принцип действия и устройство	22
Пуск синхронного двигателя	23
Потери и КПД синхронных машин	23
4. Машины постоянного тока	25
Основные понятия и область применения	25
Принцип действия и устройство генератора постоянного тока	25
Электродвижущая сила машины постоянного тока	28
Работа генератора постоянного тока	29
Способы возбуждения генераторов постоянного тока	30
Двигатели постоянного тока	32
Регулирование скорости вращения двигателя постоянного тока	32
Пуск в ход электродвигателей постоянного тока	33
Механическая характеристика двигателя постоянного тока	34
Торможение двигателей постоянного тока	35
5. Приложения	36
Приложение 1. Асинхронный двигатель. Пример расчета	36
Приложение 2. Синхронный генератор. Пример расчета	38
Приложение 3. Машина постоянного тока. Пример расчета	39
Приложение 4. Краткая сравнительная характеристика основных типов электрических машин	40

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

 

Электрические машины широко используют на электрических станциях, в промышленности, на транспорте, в авиации, системах автоматического регулирования и управления. Такие машины пре­образуют механическую энергию в электрическую, и наоборот.

Машина, преобразующая механическую энергию в электри­ческую, называется генератором, а машина, преобразующая электрическую энергию в механическую, называется двига­телем.

Электрическая машина также может служить для преобра­зования электрической энергии одного рода тока (частоты, числа фаз переменного тока, напряжения постоянного тока) в энергию другого рода тока. Такие электрические машины называются преобразователями.

Электрические машины делятся на машины постоянного и пе­ременного тока. Машины переменного тока могут быть как одно-, так и многофазными. Наибольшее применение нашли трехфазные синхронные и асинхронные машины.

Принцип действия электрических машин основан на физиче­ских законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно этим законам, а также законам Ома, Джоуля—Ленца можно получить основные соотношения между величинами, харак­теризующими рабочий процесс в электрических машинах.

Два полюса электромагнита, создающего магнитное поле, показа­ны на рис. 1. В магнитном поле между полюсами помещен провод­ник, сечение которого изображено кружком. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов поместить про­водник и под действием какой-либо силы F перемещать его, то в нем возникает ЭДС, значение которой определяется формулой

 

е = Blv,

 

где В — магнитная индукция в месте, где находится проводник;

l — активная длина проводника, т. е. та часть, которая находится в магнитном поле;

v — ско­рость перемещения проводника в маг­нитном поле.

Это соотношение предполагает, что проводник перемещается перпендикулярно направлению магнитных сил линий поля.

Направление ЭДС определяется правилом

правой руки.

Если этот проводник замкнуть на какое-либо

 сопротивление приемника электрической энергии, то в

замкнутой цепи под дей­ствием ЭДС будет протекать

электрический ток, совпадающий по направлению с ЭДС

 в проводнике.

В результате взаимодействия тока I в проводнике с

магнитным полем создается электромагнитная сила F_ЭM, направление которой определяется по правилу левой руки, т, е. эта сила будет направлена навстречу силе, перемещающей проводник в магнитном поле.

При равенстве сил F = F_ЭM проводник будет перемещаться с по­стоянной скоростью.

В такой простейшей электрической машине механическая энер­гия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую энергию, т. е. такая машина работает генератором.

Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике с магнитным полем полюсов создается электромаг­нитная сила F_ЭМ  под действием которой проводник начнет пере­мещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого- либо механического приемника энергии. В таком режиме машина будет работать двигателем.

В режиме генератора (рис. 2) электромагнитный момент М_ЭМ противодействует вращению, уравновешиваясь моментом М_ДВ пер­вичного приводного двигателя (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя электромагнитный момент М_ЭМ действует по направле­нию вращения (рис. 3). При равномерном вращении ему проти­водействует момент сопротивления М_С приводимого в движение механического устройства (станок, насос, вентилятор и т.п.).

 

 

Любая электрическая машина может быть использована в качестве как генератора, так и двигателя. Это свойство электрической машины изменять направление преобразуе­мой ею энергии называется обратимостью машины.

 

Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. Ленцем в 1833 г.

Конструктивно электрическая машина состоит из двух основ­ных частей: вращающейся — ротора(от лат. rotor — вращающий­ся) и неподвижной — статора(от лат. stator — стоящий).

 

Запомните

· Наличие магнитного поля и проводников с током является не­обходимым условием для работы электрической машины как преобразователя энергии, а постоянное взаимодействие между ними достигается вращательным движением.

· Электрическая машина обладает принципом обратимости, т. е. может работать и как генератор, и как двигатель.

 

.

 

 

2. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Наибольшее распространение среди электрических двигате­лей получил трехфазный асинхронный двигатель, впервые скон­струированный известным русским электриком М.О.Доливо – Добровольским в 1889 г. Этот двигатель практически не подвергал­ся серьезным изменениям до наших дней.

Асинхронный двигатель отличается простотой конструкцией и несложностью обслуживания. Так же как и любая машина пере­менного тока, асинхронный двигатель состоит из ротора 1 и стато­ра 2 (рис. 4). Асинхронная машина может работать в режиме как двигателя, так и генератора. Однако из-за ряда существенных не­достатков асинхронные генераторы практически не применяются. Различают несколько типов асинхронных двигателей: трех-, двух-, однофазные и линейные. Промышленностью выпускаются асин­хронные двигатели с широким диапазоном мощностей: от несколь­ких ватт до нескольких мегаватт. За прошедшие годы асинхронные двигатели нашли очень широкое применение в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства. Их используют в электро­приводе металлорежущих станков, подъемно-транспортных ма­шин, транспортеров, насосов, вентиляторов. Маломощные двига­тели используются в устройствах автоматики.

Принципиальным недостатком асинхронных двигателей явля­ются трудности, связанные с регулированием частоты вращения. Кроме того, эти двигатели имеют относительно низкий коэффи­циент мощности cosφ (0,85—0,90 при полной нагрузке и 0,2—0,3 на холостом ходу).

Асинхронные двигатели — самые распространенные двигатели на производстве и в быту.

Рис. 4. Асинхронная машина:  1 – ротор; 2 – статор.

 

 

УСТРОЙСТВО АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Асинхронный двигатель состоит из неподвижной части — стато­ра и вращающейся части — ротора. Частями статора являются магнитопровод и корпус. Сердечник собран из изолированных листов электротехнической стали, С внутренней стороны полый цилиндр сердечника статора снабжен пазами, в которые закладывается статорная обмотка (рис. 5, а). Число индуктивных катушек, образую­щих обмотку, должно быть кратно трем (3, 6, 9, 12 и т. д.).

В зависимости от конструкции обмотки ротора различают си­ловые асинхронные двигатели с короткозамкнутым и фазным ро­торами. Ротор представляет собой укрепленный на валу цилиндр, собранный, так же как и сердечник статора, из листов электротех­нической стали (рис. 5, б). В большинстве случаев ротор снабжа­ется короткозамкнутой обмоткой, состоящей из медных или алю­миниевых стержней, уложенных без изоляции в пазы на внешней поверхности магнитопровода ротора. Торцевые концы стержней замыкаются накоротко кольцами из того же материала.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым рото­ром наиболее прост, надежен в работе и дешев.

Реже ротор снабжается фазной (катушечной) обмоткой (обычно для двигателей большой мощности), выполняемой изолированным проводом. В этом случае на валу ротора укрепляются три металли­ческих контактных кольца, изолированных от вала (рис. 5, в). Об­мотка ротора изготовляется трехфазной, изолированным прово­дом, с тем же числом индуктивных катушек, что и обмотка статора. Фазные обмотки ротора на самом роторе соединяются в «звезду», а их свободные концы подводятся к контактным кольцам. На коль­ца наложены щетки, установленные в неподвижных щеткодержа­телях. Через кольца и щетки фазная обмотка замыкается на пуско­вой реостат

 

.

 

Двигатели с фазным ротором сложнее, дороже и менее надеж­ны в эксплуатации, чем с короткозамкнутым, но обладают луч­шими пусковыми и регулировочными свойствами.

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И РЕЖИМ РАБОТЫ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Принцип действия асинхронного двигателя рассмотрим на мо­дели, представленной на рис. 6.

Сердечники статора и ротора образуют магнитную цепь асин­хронной машины. Обмотка статора подключается к трехфазной сети, и токи, обтекая обмотку статора, возбуждают магнитное поле машины. Оно замыкается через сталь ротора и таким путем сцеп­ляется с обмоткой ротора. Магнитное поле, возбужденное трех­фазной системой токов, вращается в плоскости осей индуктивных катушек статора.

Вращение поля создается поочередным изменением трех обра­зующих его полей фазных обмоток статора, поэтому скорость вра­щения поля пропорциональна частоте переменного тока I и опреде­ляется по следующей формуле:

 

Если на статоре размещены три индуктив­ные катушки, то вращающееся поле, возбужда­емое их токами, делает один оборот в секунду. При стандартной частоте 50 Гц число оборотов такого поля в минуту n₁ = f ·60 = 3000 об/мин. (Чем больше катушек на статоре, тем больше полюсов имеет вращающееся поле и тем мед­леннее оно вращается).

Вращающееся магнитное поле статора, пересекая обмотку ротора,

индуктирует в ее проводниках ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута,

то индуктируемые в ней ЭДС создают в этой обмотке

пропорциональные им токи ротора. Последние, взаимодействуя с

вращающимся магнитным полем машины, заставляют ротор вра­щаться

вслед за полем. Ротор двигателя вращается с асинхронной скоростью n₂,

меньшей, чем синхронная скорость вращения поля n₁. Разность скоростей

вращения поля и ротора характеризуется скольжением

 

 

Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме дви­гателя, изменяется от нуля до единицы.

В момент пуска двигателя, когда скорость ротора п₂ = 0, скольже­ние S= 1, или 100%.

При холостом ходе n₂≈n₁, скольжение S≈0. Скольжение асин­хронного двигателя в зависимости от нагрузки меняется незначи­тельно (1—6%). Чем больше мощность двигателя, тем меньше его скольжение.

 

Пример 1. Определить скольжение в процентах для шестиполюсного асинхронного двигателя, если ротор делает 960 об/мин, частота тока f= 50 Гц.

Решение

Скорость вращения поля

 

 

Тогда скольжение

 

 

Скольжение S характеризует скорость пересечения обмоток ро­тора вращающимся магнитным полем.

Для изменения направления вращения ротора, т.е. для реверси­рования двигателя, необходимо изменить направление вращения магнитного поля, создаваемого обмоткой статора. Это достигается переключением двух фаз, т. е. двух из трех проводов, соединяющих обмотку статора с сетью.

 

 

Запомните

· Если ротор вращается с частотой вращения n₂, равной частоте вращения магнитного поля (n₂ = n₁), т.е. синхронно с полем, то такая частота вращения называется синхронной.

· Если частота вращения ротора не равна частоте вращения маг­нитного поля (n₂≠n₁), то такая частота вращения называется асинхронной.

· Асинхронный двигатель развивает вращающий момент только при асинхронной частоте. Частота вращения ротора может мало отличаться от частоты вращения магнитного поля, но принципи­ально важно, что при работе двигателя она будет всегда меньше (n₂ < n₁ ) частоты вращения поля.

· Для реверсирования двигателя, т. е. для изменения направле­ния вращения ротора, необходимо изменить направление вра­щения магнитного поля, созданного обмоткой статора. Это можно сделать изменением последовательности фаз обмоток статора. Реверсивные двигатели снабжаются переключателя­ми, с помощью которых можно изменять чередование фаз об­моток статора, а следовательно, и направление вращение ро­тора.

 

 

ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО

 МОМЕНТА ОТ СКОЛЬЖЕНИЯ

 

Электромагнитный момент возникает при наличии магнитно­го поля, создаваемого обмоткой статора, и тока в обмотке ротора. Электромагнитный момент определяется соотношением

М=С_мФI₂cosψ₂

где С_м — конструктивный коэффициент асинхронной машины; Ф — результирующее магнитное поле в машине; ψ₂ — сдвиг по фазе между ЭДС и током ротора; I₂ cosψ₂ — активная составляющая тока ротора.

Для анализа работы асинхронного двигателя также используют следующую формулу зависимости электромагнитного момента М двигателя от скольжения 5, напряжения, подводимого к обмотке статора, U₁ активного сопротивления обмотки ротора, связанного с потерями на нагрев обмотки, R₂, и индуктивного сопротивления обмотки неподвижного ротора, связанного с потоком рассеяния, Х₂:

Из полученного выражения для электромагнитного момента М следует, что он сильно зависит от подведенного напряжения U₁.

При снижении, например, напряжения на 10% электромагнит­ный момент снизится на 19%. Это является одним из недостатков асинхронных двигателей.

Выражение для электромагнитного момента [см. формулу (1)] справедливо для любого режима работы и может быть использо­вано для построения зависимости электромагнитного момента от скольжения при изменении последнего от +∞ до -∞ (рис. 7).

 

Двигатель при пуске в ход (S=1) развивает момент М_пуск. Сколь­жение, при котором момент достигает наибольшего значения, на­зывают критическим скольжением S_кр, а наибольшее значение момента — критическим моментом М_кр. Отношение критическо­го момента к номинальному называют перегрузочной способно­стью двигателя:

 

 

Участок характеристики (см. рис. 7), на котором скольжение изменяется от 0 до S_кp, соответствует устойчивой работе двига­теля.

 

На этом участке располагается точка номинального режима (М_н, S_н). В пределах изменения скольжения от 0 до S_кp изменение нагрузки на валу двигателя будет приводить к изменению частоты вращения ротора, изменению скольжения и вращающего момента. С увеличением момента нагрузки на валу частота вращения ротора станет меньше, что приведет к увеличению скольжения и электро­магнитного (вращающего) момента. Если момент нагрузки превы­сит критический момент, то двигатель остановится.

 

Запомните

 

· Вращающийся момент двигателя пропорционален квадрату на­пряжения питающей сети.

· Участок характеристики, на котором скольжение изменяется от S_кр до 1, соответствует неустойчивой работе двигателя. Этот участок характеристики двигатель проходит при пуске в ход и торможении.

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

 АСИНХИРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Механическая характеристика — это зависимость, показы­вающая, как меняется частота вращения ротора при измене­нии момента на валу двигателя, п₂ - f(M) (рис. 8).

Участок 1 —3 соответствует устойчивой, а участок 3 — 4 — неу­стойчивой работе асинхронного двигателя (используется при пуске или вынужденной остановке двигателя).

Точка 1 соответствует идеальному хо­лостому ходу двигателя, когда n₁ = п₂; точ­ка 2 — номинальному режиму работы двигателя, ее координаты (M_н, n_н); точка 3 — критическому моменту М_кр и крити­ческой частоте вращения n_кр; точка 4 — пусковому моменту двигателя М_пуск.

Механическую характеристику мож­но рассчитать и построить по паспорт­ным данным.

 

Для точки 1 , где f – частота сети, р – число пар полюсов двигателя.

 

Для точки 2 с координатами (M_н, n_н) номинальная частота вращения n_н задается в паспорте. Номинальный момент,  = Н · м, рассчитывается по формуле

 

 

где Р_н – номинальная мощность (мощность на валу).

Для точки 3 с координатами М_кр= М_н

 

Перегрузочная способность  задается в паспорте двигателя.

Критическая частота вращения

 

n_кр=n₁(1 - S_кр)

 

Критическое скольжение

 

Номинальное скольжение

 

Точка 4 имеет координаты (М = М_пуск, n₂=0). Пусковой момент вычисляют по формуле

 

М_пуск = М_{н  пуск}

 

где  _пуск – кратность пускового момента, задается в паспорте.

 

Асинхронные двигатели имеют жесткую механическую ха­рактеристику, так как частота вращения ротора (участок 1 —3) на рис. 8 мало зависит от нагрузки на валу. Это одно из досто­инств этих двигателей.

 

 

ПУСК АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

 

В момент пуска двигателя п₂ = 0, т. е. скольжение S = 1. Токи в об­мотках ротора и статора зависят от скольжения и возрастают при его увеличении. Пусковой ток двигателя будет в 5—8 раз больше его номинального тока:

I_пуск= (5-8)I_н

Из-за большой частоты ЭДС ротора асинхронные двигатели имеют ограниченный пусковой момент:

М_пуск=(0,8 – 1,8)М_н

 

Для пуска в ход асинхронного двигателя необходимо, чтобы раз­виваемый им пусковой момент превышал момент нагрузки на валу. В зависимости от мощности источников питания и условий пу­ска используют разные способы пуска, которые преследуют цели уменьшения пускового тока и увеличения пускового момента.

Различают следующие способы пуска в ход асинхронных двига­телей: прямое включение в цепь, пуск при пониженном напряже­нии, реостатный пуск, использование двигателей с улучшенными пусковыми свойствами.

Прямое включение в сеть. Это самый простой и самый дешевый способ пуска. На двигатель вручную или с помощью дистанционно­го управления подается номинальное напряжение. Прямое вклю­чение в сеть допускается, когда мощность двигателя не превышает 5 % мощности трансформатора, если от него питается и осветитель­ная сеть. Ограничение по мощности объясняется бросками тока в момент пуска, что приводит к снижению напряжения на зажи­мах вторичных обмоток трансформатора. Если от трансформатора не питается осветительная сеть, то прямое включение в сеть можно применять для двигателей, мощность которых не превышает 25 % мощности трансформатора.

Пуск при пониженном напряжении. Этот способ применяют при пуске в ход мощных двигателей, для которых недопустимо прямое включение в сеть. Для понижения подводимого к обмотке статора напряжения используют дроссели и понижающие авто­трансформаторы. После пуска в ход на обмотку статора подается напряжение сети. Понижение напряжения производят в целях уменьшения пускового тока, но одновременно происходит умень­шение пускового момента. Если напряжение при пуске понизить в  раз, то пусковой момент понизится в три раза, поэтому этот способ пуска можно применять только при отсутствии нагрузки на валу, т. е. в режиме холостого хода. Если, согласно паспортным данным, двигатель должен включаться в сеть по схеме «треуголь­ник», то для снижения пускового тока на время пуска в ход обмотку статора включают по схеме «звезда».

Основные недостатки этого способа пуска: высокая стоимость пу­сковой аппаратуры и невозможность пуска с нагрузкой на валу.

      Реостатный пуск. Этот способ применяют при тяжелых услови­ях пуска, т. е. при большой нагрузке на валу. Для реостатного пу­ска используют асинхронные двигатели с фазным ротором, в цепь ротора включается пусковой реостат. Реостатный пуск служит для увеличения пускового момента. Одновременно происходит умень­шение пускового тока двигателя. По мере разгона двигателя пуско­вой реостат выводится и после окончания пуска обмотка ротора оказывается замкнутой накоротко.

Схема реостатного пуска и механические характеристики при этом пуске представлены на рис. 9.

В момент пуска в ход (см. рис. 9, а) в цепь ротора введен полно­стью пусковой реостат (R_пуск3 = R_пуск1 + R_пуск2), для чего контакты реле К₁ и К₂ разомкнуты. При этом двигатель будет запускаться по харак­теристике 3 (см. рис. 9, б) под действием пускового момента М_пуск.

При заданной нагрузке на валу и введенном реостате R_пуск3 раз­гон закончится в точке А. Для дальнейшего разгона двигателя нужно замкнуть контакты К₂ при этом сопротивление пускового реостата снизится до R_пуск2 и разгон будет продолжаться по характеристике 2 до точки В. При замыкании контактов К₂ пусковой реостат будет полностью выведен (R_пуск = 0) и окончательный разгон двигателя будет продолжаться по его естественной механической характери­стике 1 и закончится в точке С.

 

 

Использование двигателей с улучшенными пусковыми свой­ствами. Стремление совместить достоинства асинхронных двигате­лей с короткозамкнутым ротором (высокая надежность) и фазным ротором (большой пусковой момент) привело к созданию двигате­лей с улучшенными пусковыми свойствами. Они имеют короткозамкнутую обмотку ротора специальной конструкции. Различают двигатели с обмоткой ротора в виде двойной «беличьей клетки» (рис. 10, а) и с глубоким пазом (рис. 10, б).

У двигателя с двойной «беличьей клеткой» (см. рис. 10, а) на роторе закладывают две короткозамкнутые обмотки. Обмотка 1 играет роль пусковой, а обмотка 2 является рабочей. Для полу­чения повышенного пускового момента пусковая обмотка должна обладать большим активным сопротивлением, чем рабочая обмот­ка, поэтому обмотка 1 выполняется из материала с повышенным удельным сопротивлением (латунь), чем обмотка 2 (медь). Сечение проводников, образующих пусковую обмотку, меньше, чем у рабо­чей обмотки. За счет этого повышается активное сопротивление пусковой обмотки.

Рабочая обмотка, расположенная глубже, охватывается большим магнитным потоком, чем пусковая, поэтому индуктивное сопротивление рабочей обмотки значительно больше, чем пусковой. За счет этого в момент пуска в ход, когда частота тока ротора имеет наи­большее значение, ток в рабочей обмотке, как следует из закона Ома, будет небольшим и в создании пускового момента будет уча­ствовать в основном пусковая обмотка, имеющая большое актив­ное сопротивление. По мере разгона двигателя частота тока ротора падает, уменьшается и индуктивное сопротивление обмоток рото­ра, что приводит к увеличению тока в рабочей обмотке. За счет это­го в создании вращающего момента будет участвовать в основном рабочая обмотка. Она обладает малым активным сопротивлением, поэтому естественная механическая характеристика двигателя бу­дет жесткой.

Аналогичная картина наблюдается у двигателя с глубоким пазом (см. рис. 10, б). Глубокий стержень обмотки 1 можно представить в виде нескольких проводников, расположенных по высоте паза. За счет высокой частоты тока в обмотке ротора в момент пуска в ход происходит «вытеснение тока к поверхности проводника». За счет этого в создании пускового момента участвует только верхний слой проводников обмотки ротора. Сечение верхнего слоя значительно меньше сечения всего проводника, поэтому при пуске в ход обмот­ка ротора обладает повышенным активным сопротивлением, дви­гатель развивает повышенный пусковой момент. По мере разгона двигателя плотность тока по сечению проводников обмотки ротора выравнивается, сопротивление обмотки ротора снижается.

В целом эти двигатели имеют жесткие механические характе­ристики, повышенный пусковой момент и меньшую кратность пу­скового тока, чем двигатели с короткозамкнутым ротором обычной конструкции.

 

 

ТОРМОЗНЫЕ РЕЖИМЫ

АСИНХРОННЫХ МАШИН

 

При работе многих производственных механизмов возникает необходимость в быстрой остановке (торможении) двигателя. Для этой цели широко используются механические тормоза, но асин­хронная машина может сама выполнять функции тормозного устройства, работая в одном из тормозных режимов. При этом ме­ханические тормоза используются как запасные или аварийные, а также для удержания механизма в неподвижном состоянии.

Различают три тормозных режима асинхронных машин:

1) генераторное торможение;

2) динамическое торможение;

торможение противовключением.

Генераторное торможение. Машина переходит в режим генера­тора, если ротор начнет вращаться быстрее магнитного поля. Этот режим может наступить при регулировании скорости вращения увеличением числа пар полюсов или уменьшением частоты ис­точника питания, а также в подъемно-транспортных машинах при опускании груза, когда под действием силы тяжести груза ротор на­чинает вращаться быстрее магнитного поля.

В режиме генератора изменяется направление электромагнит­ного момента, т. е. он становится тормозным, под действием чего происходит быстрое снижение скорости вращения. Одновременно изменяется фаза тока в обмотке статора, что приводит к измене­нию направления передачи электрической энергии. В режиме генератора происходит возврат энергии в сеть.

Одно из достоинств генераторного торможения у асинхрон­ных машин заключается в том, что переход в режим генератора происходит автоматически, как только ротор начинает вращаться быстрее магнитного поля. Это защищает асинхронные двигатели От аварийной ситуации, которая может наступить у двигателей постоянного тока. Асинхронные двигатели не могут пойти в разнос. Максимальная частота вращения ротора ограничивается частотой вращения магнитного поля.

 

Генераторное торможение является самым экономичным режимом, так как происходит преобразование механической энергии в электрическую и возврат энергии в сеть. Одно из достоинств этого тормозного режима состоит в его самопроизвольном появлении, т. е. не требуется никакая контролирующая аппаратура.

 

Динамическое торможение. Этот тормозной режим используется для точной остановки мощных двигателей. На время торможе­ния обмотка статора отключается от сети переменного напряжения и подключается и источнику с постоянным напряжением. При этом обмотка статора будет создавать постоянное неподвижное магнит­ное поле. При вращении ротора относительно этого магнитного поля изменяется направление ЭДС и тока ротора, что приведет к из­менению направления электромагнитного момента, т.е. он станет тормозным. Под действием этого момента происходит торможение. Изменяя величину подведенного к обмотке статора напряжения, можно регулировать время торможения.

Основным достоинством этого тормозного режима является точная остановка. Постоянное напряжение можно подводить к обмотке статора только на время торможения. После останов­ ки двигатель нужно отключить от сети постоянного тока. Основные недостатки динамического торможения: необходим источник постоянного тока и неэкономичность.

Торможение противовключением. Этот тормозной режим воз­никает при реверсе двигателя, а также широко используется для быстрой остановки двигателя.

Для торможения двигателя нужно изменить порядок чередова­ния фаз, т. е. переключить две фазы.

 

Достоинством этого тормозного режима является быстрое торможение, так как тормозной момент действует на всем тормоз­ ном пути. Недостатки: большие токи и потери в обмотках при торможе­нии, необходима аппаратура, контролирующая скорость вра­щения и отключающая двигатель от сети при его остановке. Если в приводе механизма двигатель часто работает в режиме реверса, приходится завышать его мощность из-за больших по­терь мощности.

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Число оборотов ротора в минуту определяется следующим вы­ражением:

 

Из выражения видно, число оборотов ротора асинхронного двига­теля можно регулировать изменением любой из трех величин:f₁ , р, S.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя с по­ мощью изменения частоты тока сети возможно на базе полупро­водниковой техники. При таком регулировании частота вращения изменяется плавно.

Изменение числа полюсов электрической машины возможно, если на статоре выполнено несколько (обычно две) обмоток с раз­ личным числом полюсов или одна обмотка, допускающая переклю­чения на различное число полюсов. При изменении числа полюсов обмотки статора изменится скорость вращения его магнитного поля, а следовательно, и частота вращения ротора двигателя. Этот способ регулирования является достаточно экономичным, но недостаток его состоит в ступенчатом изменении частоты вращения двигателя. Кро­ме того, стоимость такого двигателя возрастает вследствие усложне­ния обмотки статора и увеличения габаритных размеров машины.

Регулирование частоты вращения этим способом применяется в двигателях с короткозамкнутым ротором.

Изменение скольжения можно получить путем введения в цепь обмотки ротора регулирующего реостата. Регулирующий реостат включается в цепь обмотки фазного ротора подобно пусковому, но в отличие от пускового этот реостат рассчитывается на длитель­ную нагрузку током. Этот способ регулирования частоты вращения Синхронных двигателей имеет ряд существенных недостатков: до­полнительные потери в реостате, малый диапазон регулирования.

Асинхронные двигатели являются наиболее распространенны­ ми среди электрических двигателей и выпускаются со стандартизованными номинальными значениями синхронных частот вращения для промышленной частоты сети 50 Гц: 3 ООО; 1 500; 1 ООО; 750 375; 300; 250; 187,5; 166,6; 150; 125; 100 об/мин.

 Номинальные рабочие частоты асинхронных двигателей не­ сколько меньше синхронных из-за наличия скольжения.

 

 

КОЭФФИЦИЕНТ МОЩНОСТИ

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

 

Коэффициент мощности асинхронного двигателя определяется соотношением

 

где P₁ Q₁, S₁ активная, реактивная и полная мощность двигателя соответственно.

Активная мощность двигателя Р₁ складывается из мощности на валу Р₂ (полезной мощности) и мощности потерь Р:

 

P₁= Р₂+ Р.

 

Потери складываются из электрических потерь (потери на на­грев обмоток) Р_эл; потерь в стали (потери на нагрев сердечника) Р_ст и механических потерь Р_мех:

 

Р= Р_эл+ Р_ст+ Р_мех.

 

Электрические потери Р_эл зависят от токов в обмотках и возрас­тают при увеличении нагрузки на валу. Потери в стали не зависят от нагрузки на валу, а зависят от подведенного к обмотке статора на­пряжения. Механические потери относятся к постоянным потерям.

В номинальном режиме cos _н = 0,85 — 0,9, в режиме холостого хода cos _х = 0,1 —0,2.

Снижение cos _х объясняется тем, что активная мощность мала (Р_1х = Р_эл+ Р_ст+ Р_мех). А реактивная мощность Q₁ остается такой же, как и в номинальном режиме. Зависимость коэффициента мощности асинхронного двигателя от нагрузки на валу показана на рис. 11. При большой недогрузке асин­хронного двигателя он имеет низкий коэффициент мощности, что экономически невыгодно.

Для повышения cos  при малой нагрузке рекомендуется

пони­ жать подведенное к двигателю напряжение.

При этом уменьшает­ся реактивная мощность, а

коэффициент мощности повышается.

 

3.МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

 

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

В синхронных машинах частота вращения ротора равна частоте вращения магнитного поля статора и, следовательно, определяется частотой тока сети f и числом пар полюсов p:

 

Как и всякая электрическая машина, синхронная машина является обратимой, т. е. может работать в режиме как генератора, так и двигателя.

В 1876 г. русский ученый П. Н. Яблочков разработал несколько об­разцов многофазных синхронных генераторов с электромагнитным возбуждением и электрически несвязанными фазами, предназна­ченных для питания созданных им дуговых электрических ламп (све­чи Яблочкова). Первый трехфазный синхронный генератор изобрел известный русский электротехник М. О. Доливо - Добровольский. Этот генератор имел мощность 230 кВ • А, приводился во вращение от гидротурбины и обеспечивал электроснабжение международной электротехнической выставки во Франкфурте в 1891 г. по четырех­ проводной электрической линии трехфазного тока.

Основная электромагнитная схема синхронных машин с тех пор оставалась неизменной, но усовершенствовалось их конструктивное выполнение и возросли электромагнитные нагрузки, что по­зволило значительно улучшить массогабаритные и энергетические показатели и нагрузочную способность синхронных машин. Внеш­ний вид синхронного генератора представлен на рис. 12.

 

                                 

Рис.12. Внешний вид синхронного генератора

 

 

Синхронные машины используют главным образом в качестве источников электрической энергии переменного тока; их устанав­ливают на мощных тепловых, гидравлических и атомных электро­станциях, а также на передвижных электростанциях и транспорт­ных установках (тепловозах, автомобилях, самолетах). Конструкция синхронного генератора определяется в основном типом привода.

В зависимости от этого различают турбогенераторы, гидрогенератор и дизель – генераторы.Турбогенераторы приводятся во вращение паровым и или газовыми турбинами, гидрогенераторы — гидротур­бинами, дизель – генераторы — двигателями внутреннего сгорания. Синхронные машины широко используют также в качестве электродвигателей при мощности 100 кВт и более для привода на­сосов, компрессоров, вентиляторов и других механизмов, работа­ющих при постоянной частоте вращения. Для генерирования или потребления реактивной мощности в целях улучшения коэффици­ента мощности сети и регулирования ее напряжения применяют синхронные компенсаторы. В электробытовых приборах (магнитофонах, проигрывателях, киноаппаратуре) и системах управления широкое применение по­ лучили различные синхронные микромашины — с постоянными магнитами, индукторные, реактивные, гистерезисные, шаговые.

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

 

СИНХРОННЫХ МАШИН

 

Как и все электрические машины, синхронные имеют статор и ротор. Ротор синхронной машины представляет собой электро­магнит, возбуждаемый постоянным током. В синхронных машинах малой мощности вместо обмотки на роторе могут использоваться постоянные магниты.

Статор 1 синхронной машины (рис. 13, а) выполнен так же, как и асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, питаемую от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения. Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 6 и щеток 5 (рис. 13, б). При вращении ротора 2 с некоторой частотой n₂ поток возбуждения пересекает проводники обмотки статора и индуцирует в ее фазах переменную ЭДС Е, изменяющуюся с частотой

 

 

 

 

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то про­ ходящий по этой обмотке многофазный ток I_а создает вращающее­ся магнитное поле, частота вращения которого:

 

 

Из формул (2) и (3) следует, что n₁ = n₂, т. е. ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Такую машину на­зывают синхронной.

Результирующий магнитный поток Ф синхронной машины создается совместным действием МДС обмотки возбуждения и обмот­ки статора, и результирующее магнитное поле вращается в про­странстве с той же частотой, что и ротор.

В синхронной машине обмотку, в которой индуцируется ЭДС и проходит ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть ма­шины, на которой расположена обмотка возбуждения, — индукто­ром. Следовательно, в приведенной машине (см. рис. 13) статор является якорем, а ротор — индуктором. Для принципа действия и теории работы машины не имеет значения — вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхрон­ные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотку яко­ря, к которой подключают нагрузку, располагают на роторе, а об­ мотку возбуждения, питаемую постоянным током, — на статоре. Такую машину называют обращенной. Обращенные машины име­ют сравнительно небольшую мощность, так как у них затруднен от­бор мощности от обмотки ротора.

 

Запомните

 

Для установившихся режимов работы синхронной машины ха­рактерны следующие особенности:

· ротор машины, работающей как в двигательном, так и в генера­торном режимах, вращается с постоянной частотой, равной ча­стоте вращающегося магнитного поля, т.е. n₂ = n₁  ,поэтому машина называется синхронной;

· частота изменения ЭДС, индуцируемой в обмотке якоря, про­порциональна частоте вращения ротора;

· в установившемся режиме ЭДС в обмотке возбуждения не инду­цируется; МДС этой обмотки определяется только током воз­буждения и не зависит от режима работы машины.

Пример 2. Для получения ЭДС с частотой 50 Гц двух полюсный генератор должен сделать 3000

об/мин (  = 50 Гц)

По устройству ротора различают два типа синхронной машины: машина с явнополюсным ротором, в которой индуктивные катушки обмотки постоянного магнита размещены на выступающих полю­сах (рис. 14, а), и машина с неявнополюсным ротором, в котором распределенная обмотка постоянного тока уложена в пазы ротора (рис. 14, б).

Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работа­ющие при частоте вращения ротора 1 500 и 3 000 об/мин, изготов­ляют, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения не­ обходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят с помощью стальных массивных бандажей.

 

 

Явнополюсная синхронная машина изготовляется для скорости вращения до 1 500 об/мин и используется в качестве генератора или двигателя. Наиболее крупные синхронные машины устанав­ливаются на гидроэлектростанциях и приводятся во вращение ги­дравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50 — 500 об/мин. Машины этого типа могут быть использованы и в качестве дизель – генераторов, которые приводятся во вращение двигателями внутреннего сгорания, с частотой вращения от 100 до 1 500 об/мин.

Устройство явнополюсной машины представлено на рис. 15.

Турбогенераторы приводятся во вращение быстроходными па­ровыми или газовыми турбинами и конструктивно выполняются неявнополюсными. Вал в них расположен горизонтально. Диаметр ротора по условиям механической прочности ограничен размерами 1 — 1,5 м. Предельная длина ротора 7,5 — 8,5 м; она ограничена до­пустимым прогибом вала. Мощность турбогенераторов составляет 800— 1200 МВт.

Гидрогенераторы приводятся во вращение гидравлическими турбинами, частота вращения которых составляет 50 — 500 об/мин. Генераторы выполняют с большим числом полюсов и явнополюсными роторами. В гидрогенераторах мощностью более 500 МВт диаметр ротора превышает 15 м при длине ротора около 2 м.

Дизель – генераторы приводятся во вращение двигателями вну­треннего сгорания. Их изготовляют явнополюсными с горизон­тальным расположением вала. Мощность таких генераторов бывает от нескольких киловольт-ампер до нескольких мегавольт-ампер при частотах вращения от 100 до 1 500 об/мин. Неявнополюсная синхронная машина используется в основном как генератор на тепловых электростанциях и приводится во вра­щение паровой турбиной со скоростью вращения 3 000 об/мин (при частоте 50 Гц).

 

 

 

 

Запомните

· Ротор синхронной машины может быть явно- и неявнополюс­ным.

· Синхронные генераторы применяются в качестве основных устройств, производящих электрическую энергию на электро­станциях, и разделяются на турбо-, гидро- и дизель – генераторы.

 

 

ХАРАКТЕРИСТИКИ СИНХРОННОГО

ГЕНЕРАТОРА

 

Эксплуатационные свойства синхронного генератора в значи­тельной степени определяются его внешней и регулировочной ха­рактеристиками.

Если синхронный генератор не нагружен (работает вхолостую), То тока в обмотках статора нет и напряжение U на зажимах генера­тора равно ЭДС Е₀, созданной в обмотке статора.

Напряжение U на зажимах генератора, работающего под на­ грузкой, существенно отличается от ЭДС Е₀ при холостом ходе. Это отличие тем больше, чем больше реактивное сопротивление на­грузки.

Внешние характеристики U = f(I_я) синхронного генератора, показывающие изменения напряжения на зажимах генератора при изменении тока для активной и реактивной нагрузок, изобра­жены на рис. 16.

На практике нагрузка генератора в большинстве случаев являет­ся активно-индуктивной.

Падение напряжения на активно-индуктивной нагрузке обусловлено размагничивающим действием реакции якоря и в незна­чительной степени падением напряжения на внутренним индуктивном сопротивлении машины.

 

 

Подъем характеристик при емкостной нагрузке обусловлен подмагничивающим действием реакции якоря.

 Зависимости тока возбуждения I_в от тока нагрузки I_н при неиз­менных напряжении U, угле  и частоте f₁, называют регулировоч­ными характеристиками (рис. 17). Они показывают, как надо изменять ток возбуждения генератора, чтобы поддерживать его напряжение неизменным при изменении тока нагрузки. Очевидно, что с возрастанием нагрузки при  > 0 необходимо увеличивать ток возбуждения, а при  < 0 — уменьшать его. Чем больше угол  по аб­солютной величине, тем в большей степени требуется изменять ток возбуждения.

 

Запомните

 

· Реакция якоря при индуктивной нагрузке будет размагничиваю­щая, т.е. результирующее поле машины ослабляется.

· Реакция якоря при емкостной нагрузке — подмагничивающая, т. е. результирующее поле усиливается.

 

 

ПАРАЛЕЛЛЬНАЯ РАБОТА СИНХРОННЫХ

ГЕНЕРАТОРОВ

 

Синхронные генераторы в качестве источников электроэнергии переменного тока включаются параллельно в распределительную сеть. Необходимым условием включения генератора на параллельную работу с сетью является его синхронизация, т. е. достижение совпадения чередования фаз, частот, начальных фаз и значений напряжений сети и генератора. Момент совпадения фаз сети и генератора контро­лируют синхроноскопами. Для включения генераторов на параллель­ную работу используют автоматическую синхронизацию, которая позволяет регулировать напряжения и частоты так, как это необходимо. Применяется также метод самосинхронизации, сущность которого заключается в том, что генератор включают в сеть невозбужденным при частоте вращения ротора, близкой к синхронной, а затем включа­ют ток возбуждения и ротор генератора втягивается в синхронизм.

 

Пример 3. Определить напряжение на зажимах синхронного трехфаз­ного генератора, работающего в режиме холостого хода, при соединении обмоток «треугольником» и «звездой», если частота f= 50 Гц, количество вит­ ков, размещенных в пазах статора, w = 180, обмоточный коэффициент k_об = 0,9, амплитудное значение магнитного потока одной фазы Ф_m = 0,01 Вб.

Решение

Число витков одной фазы обмотки статора

 

Вращающийся магнитный поток

 

Ф= 1,5Ф_m = 1,5 · 0,01 = 0,015 Вб.

 

Электродвижущая сила, индуцируемая в каждой фазе,

 

Е_ф = 4,44fk_обw₁Ф = 4,44· 50· 0,9 · 60 · 0,015= 179,8 В  180 В.

При холостом ходе генератора и соединении его обмоток «треугольни­ком» напряжение на зажимах равно ЭДС:

 

= Е_ф=180В

 

При соединении обмоток «звездой» напряжение на зажимах

 

U = ЗЕ_ф = 3 · 180 = 311,4 В.

 

СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. ПРИНЦИП

ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

 

Синхронный двигатель не имеет принципиальных конструктив­ных отличий от синхронного генератора. Трехфазную статорную обмотку (якорь) двигателя подключают к сети трехфазного переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, число обо­ротов которого

 

 

На роторе двигателя помещается обмотка возбуждения, подклю­чаемая к источнику постоянного тока (обычно регулируемому вы­прямителю). Ток возбуждения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле, возбуждаемое токами обмотки ста­ тора, увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор вращается только с синхронной частотой, т.е. с частотой, равной частоте вра­щения поля статора. Таким образом, частота вращения синхронно­ го двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питаю­ щей сети.

Синхронные двигатели производят преимущественно с явновыраженными полюсами, и работают они в нормальном режиме с перевозбуждением при опережающем cos  = 0,8.

Синхронные двигатели имеют следующие преимущества:

· возможность работы при cos  = 1; это приводит к улучшению cos  сети, а также к сокращению размеров двигателя, так как его ток меньше тока асинхронного двигателя той же мощности. При работе с опережающим током синхронные двигатели слу­жат генераторами реактивной мощности, поступающей в асин­хронные двигатели, что снижает потребление этой мощности от генераторов электростанций;

· меньшая чувствительность к колебаниям напряжения, так как их максимальный момент пропорционален напряжению в пер­вой степени (а не квадрату напряжения);

· строгое постоянство частоты вращения независимо от механи­ческой нагрузки на валу.

Недостатками синхронных двигателей являются:

· сложность конструкции;

· сравнительная сложность пуска в ход;

· трудности с регулированием частоты вращения, которое воз­ можно только путем изменения частоты питающего напряже­ния.

Указанные недостатки синхронных двигателей делают их менее выгодными, чем асинхронные двигатели, при ограниченных мощ­ностях до 100 кВт. Однако при более высоких мощностях, когда особенно важно иметь высокий cos  и уменьшенные габаритные размеры машины, синхронные двигатели предпочтительнее асин­хронных.

 

Запомните

 

· Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля статора и не зависит от нагрузки; синхронный двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

· Несмотря на наличие дополнительного источника постоянного тока для возбуждения синхронные двигатели нередко использу­ются в промышленности, так как позволяют регулировать cos  потребителя и тем самым снизить потери при передаче электро­энергии.

 

 

ПУСК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Пуск в ход синхронного двигателя непосредственным включе­нием в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем стато­ра, скорость которого устанавливается мгновенно. На ротор, если он возбужден, действует знакопеременный момент, среднее зна­чение которого за период равно нулю. Электромагнитный момент возникает и может заставить ротор вращаться только в том случае, когда полюсы поля статора будут медленно перемещаться относи­тельно полюсов возбуждения ротора.

 

Запомните

 

Для пуска в ход двигателя необходимо предварительно увеличить число оборотов ротора до синхронной скорости или близкой к ней.

 

Для разгона синхронных двигателей применяют асинхронный пуск. Для этого в полюсных наконечниках ротора синхронного двигателя укладывается пусковая обмотка, выполненная в виде бе­личьего колеса подобно короткозамкнутой обмотке ротора асин­хронного двигателя. После разгона ротора двигателя до частоты вращения, близкой к синхронной, составляющей примерно 0,95n₁, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягива­ется в синхронизм.

Отключаемую от источника питания обмотку возбуждения за­ мыкают на активное сопротивление. Если же обмотку оставить ра­зомкнутой, то вращающийся магнитный поток статора индуцирует в ней ЭДС в 20— 30 раз больше номинального напряжения возбуж­дения и это может привести к пробою изоляции обмотки ротора. Синхронные двигатели обычно пускаются прямым включени­ем в сеть статорной обмотки, и только мощные двигатели требуют ограничения пускового тока.

 

ПОТЕРИ И КПД СИНХРОННЫХ

МАШИН

 

В синхронных машинах имеют место электрические потери в роторе и статоре, магнитные потери в сердечнике статора, меха­нические потери на вентиляцию и трение вращающихся частей. Коэффициент полезного действия трехфазного синхронного ге­нератора определяется по формуле

 

Коэффициент полезного действия трехфазного синхронного двигателя

Сумма потерь

 

где Р_м — потери в меди обмоток статора, Р_м = 3I² R, Р_ст — потери в стали статора; Р_мех — механические потери (потери на трение); Р_В — потери на возбуждение; Р_А — добавочные потери.

Коэффициент полезного действия мощных синхронных генераторов достаточно высок и достигает 0,98; КПД синхронных двигателей, тем выше, чем больше мощность двигателя, и составляет 0,91 — 0,96.

 

Пример 4. Трехфазный синхронный двигатель с номинальной мощностью Р_Н = 600 кВт и номинальным напряжением U_Н = 400 В имеет следующие данные: частота f = 50 Гц, количество полюсов 2p = 4, КПД η₁ = 0,96, коэффициент мощности cos _Н = 0,8 (при токе, опережающем по фазе на­ пряжение). Определить частоту вращения ротора, номинальный вращаю­щий момент, активную и реактивную мощности, потребляемые из сети, ток статора и его реактивную составляющую.

 

Решение

Частота вращения ротора

Номинальный вращающий момент

 

Активная мощность

 

Полная мощность

 

Реактивная мощность:

 

Ток статора

 

Реактивная (емкостная) составляющая тока

 

I_р = I_м sin  = 1,15 · 0,6 = 0,69 А

              4.МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ

 

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвига­телей и генераторов. Двигатель и генератор постоянного тока име­ют одинаковое устройство. Электродвигателям постоянного тока присущи хорошие регулировочные свойства и значительная пере­грузочная способность. Они позволяют получать жесткие и мягкие механические характеристики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее, и их стои­мость выше, чем асинхронных двигателей.

Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напря­жением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях экономики.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных элек­трических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Принципиальная возможность создания электродвигателя по­стоянного тока была впервые показана М. Фарадеем в 1821 г. В соз­данном им приборе проводник, по которому пропускали постоянный ток, вращался вокруг магнита.

Двигатель постоянного тока с электромагнитным возбуждени­ем был создан в России академиком Б. С.Якоби в 1834 г., который назвал его магнитной машиной. В 1838 г. им был построен более мощный электродвигатель, который использовался для приво­да гребного винта речного катера. Значительное развитие теория электрических машин постоянного тока получила в трудах Д. А. Лачинова. В 1880 г. он опубликовал труд «Электромеханическая рабо­та», в котором рассмотрел вопросы создания вращающего момен­та электродвигателя, КПД электрических машин, условия питания электродвигателя от генератора и дал классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения.

В XX столетии продолжались развитие теории и совершенство­вание конструкции машин постоянного тока. Большое внимание об­ращалось на повышение надежности этих машин путем устранения причин, вызывающих возникновение искрения под щетками (улуч­шения коммутации) и образование кругового огня на коллекторе.

 

 

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО

ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Действие любого электрического генератора основано на ис­ пользовании закона электромагнитной индукции, поэтому генера­тор постоянного тока, как и генератор переменного тока, состоит из полюсов и якоря с обмоткой. Простейшим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле полюсов N и S (рис. 18).

В витке 1 индуцируется переменная во времени ЭДС. При при­ соединении концов витка к контактным кольцам, вращающимся вместе с витком, в нагрузке через неподвижные щетки 2, 3 про­текает переменный ток, т.е. такая машина является генератором переменного тока. Для преобразования переменного тока в посто­янный применяют коллектор, который играет роль механического выпрямителя переменного тока, индуцируемого в витке 1. Концы витка 1 присоединяют к двум медным полукольцам (сегментам), на­зываемым коллекторными пластинами. При вращении витка кол­лекторные пластины вращаются с валом машины так, что каждая из щеток 2, 3 соприкасается то с одной, то с другой пластиной.

Щетки на коллекторе устанавливаются так, чтобы они перехо­дили с одной пластины на другую в тот момент, когда ЭДС, индуци­руемая в витке, будет равна нулю. Таким образом, щетка 2 в любой момент времени соприкасается с проводником, который находится под полюсом S, а щетка 3 контактируется всегда только с тем из про­ водников, который находится под полюсом N. Следовательно, ЭДС на щетках 2 и 3 не меняет знака и ток по внешнему участку электри­ческой цепи будет протекать в одном направлении от щетки 2 через сопротивление R к щетке 3.

Направление ЭДС во внешней цепи остается неизменным, а ве­личина ее меняется во времени и получается не постоянная, а пуль­сирующая ЭДС, и соответственно ток во внешней цепи будет также пульсирующим (рис. 19).

 

 

При увеличении числа коллекторных пластин пульсация тока во внешней цепи уменьшается и при 16 пластинах на пару полюсов пульсация составляет менее 1 %. Таким образом, при большом чис­ле коллекторных пластин ЭДС и ток во внешней цепи будут практически постоянны.

Как и всякая электрическая машина, генератор постоянного тока имеет неподвижную и вращающуюся части. Неподвижная часть машины называется индуктирующей, т.е. создающей магнитное поле, а вращающаяся — индуктируемой.

Машина постоянного тока с одной парой полюсов (р = 1) пред­ставлена на рис. 20. Число полюсов может быть и больше, но это всегда четное число, т. е. 2р.

На внутренней поверхности стального корпуса станины 6 ста­ тора укреплены полюсы 4 с обмотками возбуждения 5. Обмотки возбуждения питаются постоянным током и создают магнитный поток, который замыкается через станину статора, сердечни­ки полюсов, воздушные зазоры и сталь якоря 3. С торцов корпус машины закрыт подшипниковыми щитами 7 и 10. На роторе рас­ положены якорь 3 с коллектором 1 и вентилятор 8 для охлаждения машины. Вал ротора закреплен на подшипниках для уменьшения потерь при вращении. С помощью специальных муфт он соединяется с механическим устройством. Якорь представляет собой цилиндрический сердечник, в пазах которого уложе­ны и закреплены медные проводни­ки. Эти проводники, соединенные в определенном порядке, образуют замкнутую обмотку 9 якоря. Коллек­тор имеет форму цилиндра и состоит из медных пластин, изолированных друг от друга и от вала. К каждой пластине присоединены начала про­ водников обмотки якоря. Обмотка якоря с внешней цепью связана че­ рез щетки 2, которые пружинами плотно прижаты к коллектору. Щеткодержатели

крепятся на подшипниковом щите 10 машины.

 

 

Рассмотрим особенности работы машин постоянного тока. При прохождении тока в скользящем контакте щеток с коллекто­ром возможно возникновение искрения, которое, естественно, не­ желательно, поскольку разрушает коллектор и щетки. Для умень­шения искрения необходимы периодическая проточка, шлифовка коллектора и другие меры для поддержания хорошего качества скользящего контакта.

Ток якоря создает в машине собственный магнитный поток,

ко­торый искажает и даже уменьшает магнитный поток машины.

Это явление называется реакцией якоря. Из-за реакции якоря

снижа­ется ЭДС машины и ухудшаются условия работы коллектора,

 при этом усиливается искрение под щетками. Для улучшения

коммута­ции между основными полюсами 1 машины устанавливают

 допол­нительные полюса 2 (рис. 21). Токи обмоток коллектора

создают в зоне коммутации магнитный поток, противоположный

магнитно­му потоку якоря.

Для полной компенсации реакции якоря в пазах основных

полюсов машины укладывают компенсационную обмотку 3, поток,

создаваемый этой обмоткой, направлен противоположно потоку

обмотки якоря.

 

Запомните

· Двигатель и генератор постоянного тока имеют одинаковое устройство.

· Сердечник якоря и полюсов набирают из листов электротехни­ческой стали для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание.

· Главная особенность машины постоянного тока — наличие кол­лектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внеш­ней электрической цепью.

 

                                                                                         

ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА МАШИНЫ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Электродвижущие силы, индуцируемые в отдельных проводни­ках обмотки якоря, прямо пропорциональны индукции магнитно­ го поля, длине проводника и скорости перемещения проводника в этом поле в направлении, перпендикулярном направлению маг­нитных линий поля:

 

е = Blv,

 

На якоре машины постоянного тока укладывается большое чис­ло активных проводников, которые обозначим буквой N. В каждой параллельной ветви обмотки будут последовательно включено N/2a активных проводника и суммарная ЭДС машины

 

Скорость перемещения проводников в магнитном поле

 

 

где 2p — число полюсов машины;  — полюсное деление, т. е. рас­ стояние между центрами разноименных полюсов; π — частота вра­щения якоря машины.

Магнитный поток одного полюса машины

 

Ф = Bl

Электродвижущая сила машины

 

Постоянный коэффициент, зависящий от конструктивных дан­ных машины,

Тогда

 

C = C_EnФ

Суммарная ЭДС Е машины постоянного тока прямо пропорцио­нальна частоте вращения ротора n и магнитному потоку Ф.

 

Запомните

 

· Регулировку ЭДС и напряжения генератора постоянного тока производят изменением магнитного потока, который зависит от тока возбуждения.

· В цепь возбуждения включается реостат, с изменением сопро­тивления которого изменяется и ток возбуждения.

 

РАБОТА ГЕНЕРАТОРА ПОСТЯННОГО ТОКА

 

Если обмотку якоря замкнуть на внешнее сопротивление R_Н (рис. 22), то уравнение электрического состояния якорной цепи генератора имеет вид

 

Е = I_Я R_Н + I_Я R_Я = I_Я R_Я + U

где R_Я — внутреннее сопротивление обмотки якоря с учетом сопро­тивления щеточного контакта; U — напряжение на зажимах гене­ратора, U = I_Я R_Я.

Отсюда

 

U = E – I_Я R_Я  (4)

Уравнение (4) определяет вид внешней характеристики генератора

постоянного тока. Из этого уравнения можно получить уравне­ния

 мощностей генератора:

 

UI_я = EI_я – I²R_я

P₂ = P_Э – P_об

где Р₂ — полезная мощность генератора, отдаваемая потребителю электрической энергии; Р_Э — электромагнитная мощность генера­тора, преобразованная им в электрическую; Р_об — потери мощно­сти в обмотках якоря и щеточных контактах.

При холостом ходе генератора электромагнитная мощность рав­на нулю (Р_Э = 0), но для вращения якоря машины первичный двига­тель должен затратить некоторую мощность Р₀, расходуемую на по­тери холостого хода. Мощность Р₀ складывается из механических потерь на трение в подшипниках и трение о воздух вращающихся частей машины Р_мех и из потерь в стали на гистерезис и вихревые токи Р_ст:

P₀ = P_мех + P_ст

В генераторах с самовозбуждением в мощность Р₀ входит мощ­ность, затраченная на создание магнитного потока, т. е. на возбуж­дение машины.

Электромагнитный момент генератора постоянного тока

 

Где Ω – угловая скорость якоря, рад/с,

Так как

 

P_Э = EI_Я

то электромагнитный момент генератора определяется следующим выражением:

Величины а, Р и N постоянны для данной машины, поэтому выра­жение — некоторый постоянный для данной машины коэффициент.

Электромагнитный момент генератора постоянного тока

 

М_Э = С_ЭФI_Я

Запомните

 

· Электромагнитный момент генератора постоянного тока зави­сит от магнитного потока полюсов и тока якоря.

· Электромагнитный момент в генераторном режиме направлен в сторону, противоположную вращению ротора, т.е. является тормозным.

 

 

СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Свойства генераторов постоянного тока обусловлены в основ­ном способом питания обмотки возбуждения (рис. 23). В зависи­мости от этого различают четыре типа генераторов:

1) с независимым возбуждением — обмотка возбуждения по­лучает питание от постороннего источника постоянного тока (см. Рис. 23, а);

2) с параллельным возбуждением — обмотка возбуждения под­ключена к обмотке якоря параллельно нагрузке (см. рис. 23, б);

3) с последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой (см. Рис. 23, в);

4) со смешанным возбуждением — имеются две обмотки воз­буждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая — по­ следовательно с ней (см. рис. 23, г).

Генератор с независимым возбуждением. Достоинствами генера­торов с независимым возбуждением являются возможность регули­рования напряжения в широких пределах от нуля до U_m путем изме­нения тока возбуждения и сравнительно малое изменение напряжения под нагрузкой. Однако для питания обмотки возбуждения таких генераторов требуются внешние источники постоянного тока.

Генератор с параллельным возбуждением. Большинство гене­раторов постоянного тока, выпускаемых российской промышлен­ностью, имеют параллельное возбуждение. При необходимости такие генераторы можно включать и по схеме с независимым воз­буждением.

Генератор с последовательным возбуждением. В генераторе с последовательным возбуждением напряжение сильно изменяет­ся при изменении нагрузки, а при холостом ходе оно близко к нулю. Такие генераторы непригодны для питания большинства электри­ческих потребителей. Их используют лишь при электрическом тор­можении двигателей с последовательным возбуждением, которые при этом переводятся в генераторный режим.

Генератор со смешанным возбуждением. В этом генераторе име­ются две обмотки возбуждения: основная (параллельная) и вспомо­гательная (последовательная). Согласное включение двух обмоток позволяет получить приблизительно постоянное напряжение ге­нератора при изменении нагрузки. Встречное включение последо­вательной и параллельной обмоток возбуждения применяют в сва­рочных генераторах и других специальных машинах, где требуется ограничить ток короткого замыкания.

Мощность, затрачиваемая на возбуждение, относительно неве­лика (1 — 5% номинальной мощности машины постоянного тока), что позволяет экономично регулировать напряжение. Уровень на­пряжения генераторов постоянного тока обычно поддерживается с помощью автоматических регуляторов.

Большой практический интерес представляет внешняя характе­ристика генератора, которая показывает, как меняется выходное напряжение генератора U при увеличении тока I через нагрузку. Вид внешних характеристик генератора постоянного тока при раз­ личных способах возбуждения представлен на рис. 24. На кривых 2, 3 (для генераторов независимого и параллельного возбуждения) напряжение снижается при увеличении нагрузки, причем для генератора параллельного возбуждения в большей сте­пени, так как при его нагрузке уменьшается и ток возбуждения.

При постепенном уменьшении сопротивления нагрузки до нуля ток I_кз короткого замыкания генератора параллельного возбужде­ния невелик, так как напряжение на обмотке возбуждения стано­вится равным нулю и ЭДС определяется только потоком остаточно­ го намагничивания.

При мгновенном коротком замыкании ток велик, так как ЭДС машины в начальный момент не успевает измениться.

 Для кривой 4 (для генератора последовательного возбуждения) характерно увеличение напряжения при увеличении нагрузки, по­скольку при этом возрастает ток возбуждения. Вид внешней харак­теристики (кривые 1, 5) генератора смешанного возбуждения зави­сит от способа включения обмоток. При их согласном включении (кривая 1) напряжение с ростом нагрузки может немного возрасти. При встречном включении обмоток (кривая 5) внешняя характе­ристика имеет резко падающий характер, так как при увеличении нагрузки ток последовательной обмотки создает магнитный поток, противоположный потоку параллельной обмотки. Такую внешнюю характеристику имеет сварочный генератор, для которого режим Короткого замыкания является эксплуатационным.

 

Запомните

 

· В машинах постоянного тока для создания магнитного потоку используется электромагнитное возбуждение.

· Внешняя характеристика генератора постоянного тока показы­вает, как меняется выходное напряжение генератора при увели­чении тока через нагрузку.

· Напряжение в генераторах регулируют изменением тока в об­мотке возбуждения.

ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Двигатели постоянного тока нашли широкое применение в про­мышленности. К ним относятся:

· краны различных тяжелых производств;

· привод с требованиями регулировки скорости в широком диа­пазоне и высоким пусковым моментом;

· тяговый электропривод тепловозов, электровозов, теплоходов, карьерных самосвалов;

· стартеры автомобилей, тракторов и др.

Достоинства двигателя постоянного тока:

· простота устройства и управления;

· практически линейные механическая и регулировочная харак­теристики двигателя;

· легкость регулирования частоты вращения;

· хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент);

· возможность использования двигателей постоянного тока как в двигательном, так и в генераторном режимах, так как они явля­ются обратимыми машинами.

Недостатки:

· дороговизна изготовления;

· необходимость профилактического обслуживания коллекторно­ – щеточных узлов;

· ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

При современном развитии технологии конструирования и экс­плуатации двигателей постоянного тока последние два недостатка почти не ощутимы.

Внешний вид коллекторного двухполюсного двигателя постоян­ного тока представлен на рис. 25.

 

Рис. 25. Коллекторный двухполюсный двигатель постоянного тока

 

РЕГУЛИРОВАНИЕ СКОРОСТИ ВРАЩЕНИЯ

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Двигатели постоянного тока дают возможность плавно и эконо­мично регулировать скорость вращения в широких пределах. В ре­зультате этого свойства двигатели постоянного тока получили ши­рокое распространение.

Число оборотов якоря двигателя при любой схеме возбуждение определяется следующим выражением:

 

 

где U_С — напряжение сети; I_Я — ток в обмотке якоря; R_Я — сопротивление цепи обмотки якоря; R_С — сопротивление последователь­ ной обмотки возбуждения (для двигателя параллельного возбужде­ния R_С = 0); С_Е — постоянная величина электрической машины; Ф — магнитный поток.

Это выражение показывает, что изменение скорости вращения двигателя можно осуществить тремя способами: включением рео­стата с сопротивлением R_n в цепь обмотки якоря, изменением пи­ тающего напряжения U_C, изменением магнитного потока Ф.

Включение реостата в цепь обмотки якоря. Такой способ регу­лирования весьма прост и позволяет осуществлять плавное регулирование частоты вращения в широком диапазоне. Однако при этом возникают большие потери энергии в регулирующем реостате, вследствие чего его практически применяют только при кратков­ременных режимах работы двигателя, например при пуске. Другим недостатком рассматриваемого способа регулирования является то, что частоту вращения можно только уменьшать от n₁ до нуля.

Изменение питающего напряжения. При изменении питающе­го напряжения частота вращения n изменяется пропорционально U. Питание тяговых двигателей от генератора осуществляется на те­пловозах, а от выпрямителя — на электровозах и электропоездах переменного тока. На электровозах и электропоездах выпрямитель подключают к трансформатору, позволяющему изменять напряже­ние, подаваемое на вход выпрямителя, а, следовательно, и его вы­ходное напряжение U. На тепловозах в цепях управления имеется специальная электрическая аппаратура, дающая возможность из­менять ток возбуждения генератора, т. е. его выходное напряжение U, ручным способом или автоматически. Несмотря на то, что рассмотренный способ требует довольно сложного оборудования, его широко применяют на современных локомотивах и электропоездах, так как он обеспечивает плавное и экономичное (без потерь энергии в реостатах) регулирование ча­стоты вращения в очень широких пределах.

Изменение магнитного потока. Для того чтобы изменить маг­нитный поток Ф, регулируют ток возбуждения двигателя с помо­щью регулировочного реостата. Данный способ регулирования прост и экономичен, поэтому его широко применяют на локомотивах и электропоездах. Однако в этом случае регулирование частоты вращения можно осуществлять только в сравнительно небольшом диапазоне.

 

ПУСК В ХОД ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Для пуска двигателя могут быть применены три способа: прямой пуск, реостатный пуск и пуск путем изменения питающего напря­жения.

Прямой пуск. При прямом пуске обмотка якоря электродвигате­ля подключается непосредственно к сети. Обычно в электродвига­телях постоянного тока падение напряжения во внутреннем сопро­тивлении цепи обмотки якоря при номинальном токе составляет 5 — 10 % от U_ном, поэтому при прямом пуске ток I_Я = (10 — 20) I_ном, что недопустимо для машины. По этой причине прямой пуск применя­ют только для двигателей очень малой мощности (до нескольких со­тен ватт). При прямом пуске таких двигателей пусковой ток I_пуск = (4 — 6)I_ном.

Реостатный пуск. Наибольшее применение получил реостатный пуск, при котором для ограничения тока в цепь якоря включают пу­сковой реостат R_n (рис. 26), который обычно имеет несколько ступеней (секций) R₁, R₂, R₃, замыкающихся в процессе пуска

накоротко специальными выключателями (контактора­ми) 1, 2 и 3. При этом

сопротивление реостата постепенно уменьшается, что обеспечивает высокое

 значение пускового момента в тече­ние всего времени разгона двигателя.

В процессе реостатного пуска происходят некоторые колебания тока и

пускового момента (силы тяги). Однако при достаточно большом

числе ступеней пускового реостата эти колебания не оказывают вредного

влияния на работу подвижного состава.

Реостатный пуск электродвигателей с независимым и параллельным

возбуждением осуществляется так же, как и в двигателях с

последовательным возбуждением, путем постепенного выключе­ния

отдельных ступеней пускового реостата.

Реостатный пуск применяют на электровозах и электропоездах.

При приблизительно постоянной массе поезда, характерной для электропоездов,

выключение ступеней пускового реостата произ­водят автоматически. Для этой цели на электропоездах предусмо­трено специальное реле ускорения (реле минимального тока), сра­батывающее, когда пусковой ток уменьшается до установленного значения, и тем самым обеспечивающее замыкание соответству­ющих контакторов. На электровозах ступени пускового реостата выключаются по мере увеличения скорости движения поезда не­посредственно самим машинистом с помощью ручного аппара­та, называемого контроллером машиниста. Однако на некоторых электровозах применяют автоматическое выключение ступеней пусковых реостатов с той или иной скоростью.

Пуск путем изменения питающего напряжения. При реостат­ном пуске возникают довольно большие потери энергии в пусковом реостате. Этот недостаток можно устранить, если пускать двигатель путем плавного повышения напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Такой пуск называют безреостатным. Для этого необхо­димо иметь отдельный источник постоянного тока с регулируемым напряжением (генератор или управляемый выпрямитель). Безреостатный пуск применяют на электроподстанциях переменного тока и тепловозах.

Среди всех электродвигателей двигатели постоянного тока име­ют лучшие пусковые свойства. При относительно небольшом пу­сковом токе (2 — 2,5)I_Н могут создавать достаточно большой пу­сковой момент (2,5 — 4)М_Н.

Реверс, т. е. изменение направления вращения двигателя, можно осуществить, изменив направление вращения вращающегося мо­мента М. Обычно для реверса изменяют полярность напряжения на обмотке якоря, т. е. направление тока в обмотке якоря.

 

 

МЕХАНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

ДВИГАТЕЛЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Зависимость установившейся частоты вращения от электро­магнитного момента двигателя n= f(M) называется механи­ческой характеристикой.

 

Механическая характеристика имеет наибольшее практическое применение.

Механическая характеристика, полученная при номинальных значениях напряжения питания и отсутствии добавочного сопро­тивления в цепи якоря, называется естественной.

Механические характеристики двигателей с разным возбужде­нием представлены на рис. 27. Кривая 1 на всех рисунках — есте­ственная характеристика, а кривая 2 — искусственная, полу­ченная при включении добавочного сопротивления в цепь якоря двигателя.

Для двигателей независимого и параллельного возбуждения ме­ханическая характеристика линейна (см. рис. 27, а). При увеличении момента частота вращения уменьшается. Если это снижение скоро­сти незначительно ( ), то характеристика называется жесткой(кри­вая 1). Чем больше сопротивление в цепи якоря, тем «мягче» характе­ристика (кривая 2), тем больше изменение частоты вращения ( ).

Двигатель последовательного возбуждения имеет мягкую механическую характеристику (см. рис. 27, б), так как при увели­чении момента М и возрастании тока якоря возрастает магнитный поток Ф и частота вращения двигателя снижается. Особенность двигателей последовательного возбуждения состоит в том, что при холостом ходе и небольшой нагрузке ток и поток уменьшаются, а его скорость сильно возрастает. Двигатель идет «вразнос», что мо­жет привести к его разрушению. На валу двигателя должна быть нагрузка не менее 25 % номинальной.

 

 

 

Характерной особенностью двигателя последовательного воз­буждения является резкое увеличение частоты вращения при снижении нагрузки.

 

Механическая характеристика двигателя смешанного возбуж­дения (см. рис. 27, в) занимает среднее положение между харак­теристиками двигателей параллельного и последовательного воз­буждения. Характеристика мягкая, но из-за наличия параллельной обмотки частота вращения на холостом ходу ограничена.

 

ТОРМОЖЕНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

 

Для быстрой остановки двигателя постоянного тока осуществля­ют торможение с помощью механических тормозов или электриче­скими способами. К электрическим способам относятся рекупера­тивное и динамическое торможения и торможение противовключением.

При рекуперативном и динамическом торможенияхмашина­  переводится из двигательного в генераторный режим, при этом электромагнитный момент становится тормозным. Рекуперативное торможение (с возвратом энергии в сеть) обеспечивается создани­ем условий, при которых скорость двигателя превышает скорость идеального холостого хода n₀ (например, увеличением тока воз­буждения). При этом ЭДС якоря Е_Я становится больше напряжения сети U_C, ток якоря изменяет свое направление и электромагнитный момент будет тормозным, а электрическая энергия отдается в сеть, рекуперативное торможение возможно лишь при параллельном возбуждении.

Динамическое торможение обеспечивается при замыкании якоря на резистор и при подключении обмотки возбуждения к ис­точнику электрической энергии. При этом кинетическая энергия движущихся масс преобразуется в электрическую, рассеиваемую в виде теплоты на введенном в цепь якоря резисторе.

Торможение противовключением применяется при реверси­ровании двигателя на ходу. Для этого обмотки двигателя включа­ются для одного направления вращения, а якорь под воздействием внешнего момента вращается в противоположном направлении. Поскольку в этом случае ЭДС якоря оказывается направленной со­гласно питающему напряжению, для ограничения тока якоря в цепь последнего включают дополнительный резистор.

 

 

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1

Асинхронный двигатель

Пример расчета

На щитке трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором и шестью выводами на колодке зажимов приведены следующие характеристики: 220/380 В; Δ/Y; 50 Гц;1450 об/мин; 2,5 кВт; соs φ =0,8;    ƞ = 0,85.

Указать положение перемычек при включении двигателя в сеть по схеме треугольник и звезда. Определить, во сколько раз отличается выходные мощности двигателя при различных схемах включения и одном и том же линейном напряжении. Вычислить рабочий ток статорной обмотки, число полюсов и скольжение асинхронного двигателя.

 

Решение

 

1.При включении треугольником конец первой обмотки С4 соединяется с началом второй С2 и т.д. Начала обмоток подключаются к линейным проводам А, В, С (рис. 1, а). При включении звездой концы обмоток С4, С5, С6 соединяются вместе, а начала подключаются к линейном проводам А, В, С (рис. 1, б).

2. Полная мощность, потребляемая асинхронным двигателем при включении обмоток треугольником, = 3S_Ф = 3 /Z_Ф = 3 /Z_Ф. При включении звездой: = 3S_Ф = 3 /Z_Ф = 3 /Z_Ф.

 

        

 

 

Отношение /  = 3

 

    3. Для вычисления тока статора определяем активную мощность, потребляемого обмоткой статора в рабочем режиме:

Р_а = Р₂/ɳ = 2500 / 0,85 = 2940 Вт.

   Из выражения Р_а =  * UIcosφ находим

I = P_a/(  * U cosφ) = 2940 /( *380*0.8) = 5.6 A.

    4. Из выражения для синхронной частоты вращения магнитного поляn₁ = 60 f/pнаходим, при каком числе пар полюсов pзначение n₁будет наиболее близко к значению реальной частоты вращение ротора                 n = 1450 об/мин. Так будет при р = 2. В этом случае n₁ =60*50/2 = 1500 об/мин.

    5. Вычисляем скольжение асинхронного двигателя:

 

Ответ

Для включения асинхронного двигателя треугольником надо установить три перемычки вертикально между зажимами С1 – С6, С2 – С4, С3 – С5, а звездой – две перемычки горизонтально, объединив зажимы   С6 – С4 – С5.

    Выходная мощность двигателя при включении обмоток статора под одно и то же линейное напряжение треугольником в 3 раза больше, чем при включении звездой.

    Ток статора в рабочем режиме – 5,6 А.

    Число пар полюсов – 2.

    Скольжение составляет 3,3%.

 

 

Приложение 2

Синхронный генератор

Пример расчета

 

    Известные паспортные данные гидрогенератора:

    номинальная выходная мощность Р_{2 ном} =690 МВт;

    номинальное напряжение U_ном = 16 кВ;

    номинальная частота напряжения 50 Гц;

    номинальная частота вращения ротора n_ном = 142,8 об/мин;

    коэффициент полезного действия ɳ = 98%;

    коэффициент мощности cosφ = 0.83.

Вычислить номинальный вращающий момент М_ном, номинальный ток турбогенератора I_ном, число пар полюсов р.

Решение

1. Вычисляем номинальном вращающий момент, приводящий в движение турбину:

2. Вычисляем номинальный ток гидрогенератора:

3. Определяем число пар полюсов:

Ответ

   Номинальный вращающий момент турбины – 47 МН*м, номинальный ток гидрогенератора – 30 кА, число пар полюсов – 21.

 

 

Приложение 3

Машина постоянного тока

Пример расчета

 

Двигатель постоянного тока ДПМ-25-Н3-16 с возбуждением от постоянных магнитов, имеющих n_ном = 5200 об/мин; U_ном = 27 В; I_ном = 0,5 А; R_я+R_щ = 0,5 Ом, используется в качестве тахогенератора для контроля за частотой вращения асинхронного двигателя. Определить ожидаемую ЭДС на щетках машины при частоте вращении асинхронного двигателя n=2970 об/мин.

 

Решение

 

Определяем противоЭДС при работе машины в режиме двигателя:

E = U – (R_я+R_щ) I_ном = 27 – 0.5*0.5 = 26.75 B.

Эта ЭДС возникает в двигателе при номинальном напряжении и номинальной частоте вращения. Поскольку Е = С_еФ_вn, можно вычислить коэффициент пропорциональности к = С_еФ_в = Е/n = 26.75/5200 = 0.005. Этот коэффициент остается тем же самым при работе машины и в режиме генератора. Действительно, коэффициент с_е определяется конструкцией машины, а поток Ф – магнитными характеристиками статора. Оба эти параметра остаются неизменными при работе и в режиме генератора, и в режиме двигателя.

Следовательно, при работе двигателя в режиме тахогенератора, ротор которого приводится в действие асинхронным двигателем, ожидаемая ЭДС на щетках Е = С_еФ_вn = kn = 0.005*2970 = 14.85 B.

Ответ

При работе двигателя в качестве тахогенератора совместно с асинхронным двигателем ожидаемая ЭДС равна 14,85 В.

 

Приложение 4

---

Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 2979; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!