Алексеев В.В. Краткий конспект лекций по курсу Электрические машины. Машины постоянного тока. Трансформаторы - файл n1.doc

Алексеев В.В. Краткий конспект лекций по курсу Электрические машины. Машины постоянного тока. Трансформаторы
скачать (750.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc751kb.14.09.2012 22:56скачать

n1.doc

  1   2   3   4   5




Федеральное агентство по образованию

_______________________________________________________________________________

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт

им. Г.В. Плеханова (технический университет)



Алексеев В.В.

КРАТКИЙ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ



''ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ''

Часть I, II

для специальности ЭР
Санкт-Петербург' 2005


- Электрической машиной (ЭМ), называется электромеханический преобразователь (ЭМП), служащий для преобразования механической энергии в электроэнергию и обратно (генератор и двигатель).

Электрический двигатель (ЭД) является частью электромеханической системы (ЭМС, содержащей кроме ЭМП, САР и силовой преобразователь) – электрического привода (ЭП).

Кроме основного назначения ЭМ имеют и другие применения: 1. Электромашинные преобразователи. 2. Электромашинные усилители (устройства 1 и 2 в настоящее время вытесняются полупроводниковыми преобразователями). 3. синхронные компенсаторы.

- Классификация электрических машин



Рис. 1. Классификация электрических машин по принципу действия

Универсальные машины (Рис.1), в отличие от машин постоянного тока (МПТ), работают на постоянном и на переменном токе. Это машины небольшой мощности (как и реактивные синхронные двигатели).

Бесколлекторные машины могут быть как многофазными, так и однофазными. ЭМ имеют мощность от нескольких ватт до сотен МВт и разнообразные конструктивных формы, соответствующие различным условиям работы и предъявляемым требованиям.

Курс, помимо ЭМ, предусматривает изучение трансформаторов.

Трансформатор (Тр) является статическим преобразователем электроэнергии переменного тока при f, P = const (КПД близок к 1), что дает переменному току преимущества, при передаче энергии на большие расстояния. Отсутствие вращающихся частей придает трансформатору иную, чем у ЭМ конструктивную форму. Однако его принцип работы также как ЭМ основан на явлении электромагнитной индукции.

- Основные законы электромеханики.

Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100%.

Второй закон. Все электрические машины обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга, а результирующее поле в машине создается полями статора и ротора. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле, или с другой скоростью, однако поля ротора и статора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.

Изложение курса электрических машин основано на знаниях законов электрических и магнитных явлений.

- Первый закон, лежащий в основе работы ЭД – закон Ампера (электромагнитной силы), определяющий силу Fэм, действующую на конечный участок проводника l с током i, находящегося в магнитном поле

В
случае однородного магнитного поля и прямолинейного проводника, перемещающегося перпендикулярно магнитным силовым линиям (=900), выражения закона Ампера упрощается Fэм=B l i.

Второй закон, лежащий в основе работы ЭМ - закон электромагнитной индукции в известной формулировке Максвелла e= –dФ/dt.

О
дним из законов используемых при проектировании является закон магнитной цепи, аналогичный закону Ома для электрической цепи

где Ф и F – магнитный поток и м.д.с., w – число витков и i – ток в проводниках катушки, dl – элементарное перемещение в магнитном поле, и S – магнитная проницаемость и нормальное сечение трубки магнитной индукции, R– магнитное сопротивление цепи с n участками.

- Согласно закону электромагнитной индукции в более удобной формулировке Фарадея, если внешней силой F перемещать проводник в магнитном поле, например, слева направо (рис. 2) перпендикулярно вектору магнитной индукции В, то в проводнике будет наводиться ЭДС

E=B l v,

где Bмагнитная индукция, Тл; l — активная длина проводника, т.е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; vскорость движения проводника в плоскости, нормальной к B, в направлении перепендикулярном к l, м/сек; Е— электродвижущая сила, индуктируемая в проводнике, [В].

(В случае однородного магнитного поля и прямолинейного проводника, перемещающегося перпендикулярно магнитным силовым линиям поля (угол =900).

- Принцип действия и общая конструктивная схема машин одного типа одинакова (рис. 1.7).

Принцип действия МПТ

ЭМ разных типов связаны общими законами в основе действия. Рассмотрим процесс работы простейшей машины постоянного тока коллекторного типа (рис. 1.1) в режиме генератора (ГПТ). Перейдем к вращательному движению проводников ротора в виде витка abcd (якорь) между двумя полюсами постоянного магнита (N и S) (индуктор).

При равномерном вращении закон индукции можно записать в виде

e=B l v sin , (1.1)

где  - угол между направлением вектора магнитной индукции В и нормалью к плоскости витка abcd, непрерывно меняющийся при вращении якоря.

Т.о., ЭДС и ток в обмотке якоря (ОЯ) МПТ переменные (см. рис.1.2а).

Для получения неизменной по знаку ЭДС генератора (рис.1.2,б) концы витка присоединены к двум пластинам (полукольцам), закрепленным на валу и изолированным друг от друга. Эти пластины образуют важную часть машины – коллектор. К щеткам А и В присоединена нагрузка генератора (рис.1.1). В процессе работы машины коллектор вращается вместе с валом, а щетки А и В остаются неподвижными.



Рис1.1. Простейшая модель МПТ Рис.1.2. График тока якоря(а), ток I нагрузки)
При такой конструкции под щеткой B всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под щеткой A—пластина, соединенная с проводником, расположенным над южным полюсом. В результате полярность, щеток в процессе работы ГПТ остается неизменной. Щетка А имеет полярность «плюс» (из нее ток выходит во внешнюю цепь), а щетка В—«минус».

Благодаря коллектору переменный ток обмотки якоря во внешней цепи ГПТ становится неизменным по направлению (пульсирующим).

Пульсация величины тока во внешней цепи, может быть уменьшена, если применить обмотку якоря из нескольких витков, каждый из которых присоединен к соответствующей паре коллекторных пластин. Так, например, при расположении на якоре ГПТ двух витков, сдвинутых в пространстве под углом 90° (рис. 1.3), пульсации тока уменьшаются (рис. 1.4).



Рис.1.3. Модель машины постоянного Рис.1.4. График выпрямленного тока тока двумя витками на якоре генератора по рис.1.3.
Практически уже при 16 витках в обмотке (16 пластин в коллекторе) пульсации становятся незаметными и ток во внешней цепи (в нагрузке) ГПТ можно считать постоянным не только по направлению, но и по величине.

В режиме двигателя (ДПТ), к щеткам А подводят напряжение U (рис.1.5,б). Ток ДПТ I согласно закону Ампера взаимодействуя с полем статора создаст электромагнитную силу Fэм, определяющую электромагнитный момент и скорость вращения n. Направление момента электродвигателя неизменно, так как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны одного полюса в зону другого изменяется направление тока в проводниках.

Таким образом, главной особенностью МПТ является наличие коллектора и щеток. Их назначение в ДПТ — изменять направление тока

в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.


Рис.1.5,а. Распределение индукции в зазоре Рис.1.5,б. Простейший двигатель


В простейшей электрической машине число параллельных ветвей якоря 2а равно числу активных сторон витка-секции 2а=2.

Если параллельные ветви обмотки якоря выполнены идентичными, т.е. МПТ имеет симметричную обмотку, то ЭДС параллельных ветвей равны и при отсутствии нагрузки, несмотря на то, что обмотки МПТ – замкнутые, ток якорной обмотки равен нулю.

- Машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и вращающейся части — ротора (якоря), разделенных воздушным зазором. Статор состоит из станины, на внутренней поверхности которого крепятся главные (2p) и добавочные полюса с обмотками. Главные полюса служат для создания в машине основного магнитного потока, а добавочные— для улучшения коммутации. Часть поверхности якоря диаметром D, приходящаяся на один полюс называется полюсным делением ?

?= ? D / (2 p).

Таким образом, в МПТ якорь, в котором происходит преобразование энергии является подвижным (ротор). Индуктор (система возбуждения), создающий основное магнитное поле, неподвижен и располагается на статоре.

Станина. Станина МПТ служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов, и является магнитопроводом, так как через нее замыкается основной магнитный поток машины. Поэтому станины МПТ изготовляются из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. [В машинах переменного тока статор состоит из корпуса (чугун, алюминий, сталь) и сердечника (электротехническая сталь), в пазах которого уложена обмотка].



Рис. 1.6, 1.7. Основная конструктивная схема и устройство (поперечное сечение) МПТ:

1 — станина; 2 - главные полюсы; машины постоянного тока: 3 — сердечник якоря; 4 — коллектор;

5 — вал; 6 — подшипник; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор

Главные полюса. Магнитное поле в машине постоянного тока создается магнитодвижущей силой обмотки возбуждения, которая выполняется в виде полюсных катушек, надетых на сердечники главных полюсов из электротехнической стали. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник заканчивается полюсным наконечником, посредством которого обеспечивается требуемое распределение основног магнитного потока (ОМП) на поверхности якоря (рис. 1.8). Сердечники главных полюсов изготавливают в виде пакетов стальных листов толщиной от 1 до 2 мм. Полюсные катушки выполняются из медного провода, намотанного на каркас из изолирующего материала. Для улучшения формы кривой магнитной индукции в зазоре МПТ большой мощности в полюсные наконечники укладывают компенсационную обмотку.

Якорь. Якорь на роторе МПТ состоит из вала, сердечника, обмотки и коллектора. [В синхронных машинах на роторе – индуктор, в асинхронных – фазная обмотка (Al) или беличья клетка из стержней и замыкающих колец (Cu)]. Концы вала находятся в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах. Для лучшего охлаждения у большинства МПТ имеется вентилятор.

Сердечник якоря (рис. 1.8) представляет собой цилиндр, набранный из штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Это дает возможность уменьшить потери энергии в якоре от действия вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при вращении якоря в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или прямоугольного сечения и располагают в пазах сердечника якоря, где она изолируется от сердечника. Обмотка якоря состоит из секций (рис. 1.9), концы которых припаиваются к пластинам коллектора. Секции, количество которых S, могут состоять из ws витков. Учитывая, что секция имеет минимум 2 активные стороны, обмотка содержит N=2 ws S витков.

Коллектор машины (рис. 1.10) выполняют из пластин холоднокатаной меди (коллекторная медь), которые изолируют друг от друга прокладками из коллекторного миканита.


Рис. 1. 8. Стальной лист якоря Рис. 1. 9. Одновитковая секция (ws=1): вентиляционными отверстиями: обмотки якоря МПТ по рис. 1.8 1— сталь; 2 — изоляция

- Наличие коллектора и щеток является главной особенностью МПТ. Их назначение в двигателе — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности. Благодаря коллектору переменный ток обмотки якоря во внешней цепи генератора постоянного тока (ГПТ) становится неизменным по направлению (пульсирующим).

- Добавочные полюса. Добавочные полюса применяют при мощности свыше 1 кВт, с целью улучшения коммутации (уменьшения искрения на щетках). При включении нагрузки в цепи якоря протекает ток, который создает магнитный поток (МДС) якоря. Воздействие МДС якоря на ОМП называется реакцией якоря РЯ. РЯ приводит к искажению ОМП, появлению магнитного поля на геометрической нейтрали. Это обуславливает неудовлетворительную коммутацию, сопровождающуюся искрением под щетками.

Коммутацией называется переход тока из одной секции в другую при вращении якоря. При идеальной (линейной) коммутации плотность тока контакта под щеткой постоянен i1 r1– i2 r2 = 0. При реальной работе в коммутируемой секции имеются ЭДС реактивная (ер) и коммутирующая (ек) и основное уравнение коммутации имеет вид i1 r1– i2 r2 = ep + ek.

Добавочные полюса компенсируют влияние РЯ на геометрической нейтрали. Катушка добавочного полюса включается последовательно с якорной обмоткой, поэтому потери добавочных полюсов зависят от нагрузки.

Щеточное устройство. Для получения надежного электрического контакта с поверхностью коллектора в МПТ имеются щетки. Для установки щеток в машине служит щеточное устройство, которое обычно крепится к подшипниковому щиту и только в машинах большой мощности она крепится к станине.

Помимо указанных частей, машина имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. Щиты с помощью болтов крепятся к станине. В центральной части щита имеется расточка, где располагается подшипник.

Для присоединения обмоток машины к электрической сети машина снабжается коробкой выводов, где на изоляционной панели делаются выводы концов обмоток. Обычно панель с выводами располагают на станине.

- На корпусе ЭМ имеется паспортная табличка, на которой указываются номинальные данные (параметры). Номинальными величинами называются параметры, характеризующие номинальный режим работы машины.

Номинальный режим работы ЭМ - это режим, для которого машина спроектирована и изготовлена. В этом режиме она должна нормально (безотказно) работать в течение установленного изготовителем срока службы. Различают три основных номинальных режима работы ЭМ. Продолжительный, повторно-кратковременный, кратковременный номинальные режимы.

К номинальным параметрам относятся: номинальная мощность Рн, номинальное напряжение Uн, номинальный ток Iн, номинальная скорость вращения nн. Помимо указанных величин, номинальными называются и другие величины, если они соответствуют номинальному режиму работы машины. К ним относятся: номинальный к.п.д., номинальный вращающий момент, номинальный ток возбуждения, (коэффициент мощности cos и частота f для машин переменного тока).

Номинальная мощность генератора постоянного тока представляет собой полезную электрическую мощность на выводах машины, отдаваемую в сеть при номинальном режиме (Вт, кВт). Номинальная мощность двигателя (ДПТ) представляет собой полезную механическую мощность на валу.

Номинальный к.п.д.:

для генератора н=U I/(U I + p);

для двигателя н=(U Ip)/(U I).

В зависимости от типа возбуждения МПТ делятся на:

машины с параллельным возбуждением (шунтовые);

машины с независимым возбуждением;

машины с последовательным возбуждением (сериесные);

машины со смешанным возбуждением (компаундные);

машины с возбуждением от постоянных магнитов.

Общие свойства, основные уравнения и характеристики МПТ


Общие свойства МПТ определяются законами, лежащими в основе работы.

Из свойства обратимости следует, что ЭМ, например, генератор с независимым или параллельным возбуждением, автоматически переходит двигательный режим, если ЭДС Ea становится меньше напряжения сети U, и – в генераторный режим, если ЭДС больше напряжения сети.

1,а). Для генератора, следовательно, уравнение ЭДС якорной цепи

Ea = U + Ia r, (5.1)

где r=rа – сопротивление цепи якоря. В общем случае оно содержит кроме собственно сопротивления якоря сопротивление всех участков цепи якоря (добавочные полюса, компенсационная обмотка, сериесная обмотка, переходный щеточный контакт)

r =ra + rД + rк +rс + rщ. (5.2)

1,б). Для двигателя Ea = U – Ia r. (5.3)

2. Для ДПТ и ГПТ справедливы формулы (2.12) и (2.14)

а) Еa =С Ф , (5.4)

б) M =С Ф I (уравнение моментной характеристики ДПТ) (5.5)

При этом в режиме двигателя Ea называется противо-ЭДС, так как направлена против тока Ia, а в режиме ГПТ момент М является тормозящим.

Конструктивная постоянная (в системе СИ) С=сем= pN/2? a. (5.6)

3. Электромагнитный (вращающий) момент М = МЭМ связан с электромагнитной мощностью PЭМ=Ia E и угловой скоростью ?:

М= PЭМ/?, (5.7)

также полезный момент пропорционален полезной мощности М2=P2 /?. (5.8)

Основные зависимости и свойства, исследуемые:

в двигателях - это зависимости скорости от нагрузки, способы пуска и регулирования скорости

в генераторах - это зависимость ЭДС и напряжения от тока возбуждения и от тока нагрузки.

4. Из уравнения 2,а)a /С Ф. Подставив сюда 1,а) получим для двигателя

– уравнение электромеханической характеристики. (5.9)

и подставив сюда 2,б) получим уравнение механической характеристики ДПТ, являющейся основной характеристикой двигателя

(5.10)

5,а). Скоростной режим ДПТ определяется электромагнитным

моментом М и статическим моментом нагрузки Мст=M0 + М2

M = М0 + М2 МDинуравнение моментов для двигателя, (5.11)

5,б).Для генератора уравнение равновесия моментов (при ?=const)

M1 = М0 + М. (5.12)

Для двигателя КПД = P2/P1= U I – ?p/(UI). (5.12)

Для генератора КПД = P2/P1= U I /(UI + ?p). (5.13)

Здесь ?p= (pc+ pмех)+ pэв+ [pэл+ pщ]+ pД, (5.14)

Где, соответственно, потери в стали pc2, механические pмех, электрические: в ОВ pэв, в ОЯ pэл ? I2, в щетках pщ; добавочные pД.

Если имеются добавочные полюса, то к [переменным] потерям добавляется рдп.

Зависимость КПД= f(P2) КПД= f(I) имеет типичный вид с максимумом при равенстве потерь [переменных] и (постоянных). Так как двигатели работают по статистике с недогрузкой, то их проектируют так, что максимум обычно соответствует нагрузке меньшей номинальной (0,6-0,8) P.

Если двигатель работает с небольшой, но длительной перегрузкой, то повышается вероятность выхода из строя из-за перегрева и постепенного ухудшения изоляции.

Общим для МПТ является то, что основной магнитный поток ОМП создается главными полюсами с обмоткой возбуждения (ОВ). (В магнитоэлектрических машинах главные полюсы изготовляются в виде постоянных магнитов без ОВ.). Кривая намагничивания, как и ххх имеют нелинейный вид, петлю и зону насыщения.

При холостом ходе магнитное поле машины (двухполюсная машина с условными щетками) является симметричным относительно оси полюсов, а график распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет кривую, близкую к трапецеидальной (рис. 3.4, а).

Реакция якоря

Если МПТ нагрузить, то в обмотке якоря появится ток Iя, который создаст МДС якоря Fа. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС (МДС ОВ=0), будет иметь вид, представленный на рис. 3.4, б.

МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (по геометрической нейтрали). Хотя якорь вращается, но пространственное направление МДС обмотки якоря остается неизменным, так как зависит только от положения щеток.

Наибольшее значение МДС обмотки якоря имеет на линии щеток (кривая 1 на рис. 3.4, б). Распределение индукции в зазоре от магнитного потока якоря не совпадает с распределением МДС в межполюсном пространстве (кривая 2 на рис. 3.4, б), что объясняется увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном пространстве.

Величина МДС обмотки якоря Fа определяется числом проводников в обмотке якоря на полюсном делении  и величиной тока iа в этих проводниках

Fa =N ia / D =A , (3.8)

где N ia / D= A,—линейная нагрузка якоря, представляющая собой часть намагничивающей силы якоря, приходящуюся на единицу длины окружности якоря. Значение линейной нагрузки может быть от 10000 до 60000 А/м, в зависимости от мощности машины.

Если включены обмотка якоря и обмотка возбуждения, то в нагруженной МПТ действуют: МДС возбуждения Fo и МДС обмотки якоря Fa.

Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле (ОМП) машины называется реакцией якоря (РЯ).

Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его несимметричным относительно оси полюсов машины (рис. 3.4, в).



Если магнитная система машины не насыщена, то реакция якоря лишь искажает результирующий магнитный поток, не изменяя его величины. Под краем полюса где направление МДС якоря совпадает с направлением МДС основных полюсов, происходит рост индукции и ЭДС (подмагничивание), ухудшается работа щеточно-коллекторного узла (искрение).

Результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси основных полюсов на некоторый угол, физическая нейтраль mm' (линия, проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю) смещается относительно геометрической нейтрали пп' на угол (рис. 3.6, а), тем больший чем больше нагрузка машины. При работе машины в режиме генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а при работе двигателем—против вращения якоря.

В результате чего работа электрической машины может быть нарушена.

Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у большинства электрических машин, то подмагничивание края полюсного наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечника якоря практически невозможно и распределении индукции в зазоре становится более равномерным. Однако величина результирующего потока при этом уменьшается. Другими словами, реакция якоря в машине с насыщенной магнитной системой размагничивает машину. В результате ухудшаются рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей уменьшается вращающий момент.

Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с геометрической нейтрали, так как вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря (рис. 3.5). При этом МДС якоря Fa, помимо поперечной составляющей Faq = Fa cos , приобретает еще и продольную составляющую Fad=Fа sin , направленную по оси полюсов. При этом несколько ослабляется искажающее влияние РЯ. При изменении нагрузки и направления вращения угол смещения необходимо менять.



Рис.3.5,а. МДС якоря и МДС ОВ. Рис.3.5,б. Разложение МДС обмотки якоря при расположении щеток на нейтрали на продольную и поперечную составляющие
РЯ приводит к искажению ОМП, появлению магнитного поля на геометрической нейтрали. Это обуславливает неудовлетворительную коммутацию, сопровождающуюся искрением под щетками.

Коммутацией называется переход тока из одной секции в другую при вращении якоря. При идеальной (линейной) коммутации плотность тока контакта под щеткой постоянен i1 r1– i2 r2 = 0 (рис.4.2,а). При реальной работе в коммутируемой секции имеются ЭДС реактивная (ер) и коммутирующая (ек) и основное уравнение коммутации имеет вид i1 r1– i2 r2 = ep + ek. В этом случае возможна замедленная комутация (рис.4.2, б).

Для улучшения коммутации применяют добавочные полюса, которые компенсируют влияние РЯ на геометрической нейтрали. Катушка добавочного полюса включается последовательно с якорной обмоткой, поэтому потери добавочных полюсов зависят от нагрузки. Если МДС Fд добавочных полюсов больше требуемой величины (1,15…1,3 Fa), то eк > eр, ток iД направлен встречено току i, поэтому ток в коммутирующей секции достигает нуля раньше времени Тк/2. Коммутация становится ускоренной (рис.4.2, в).

Для улучшения формы кривой магнитной индукции в зазоре МПТ применяют компенсационную обмотку (КО). КО укладывается в пазы полюсных наконечников, включается последовательно с ОЯ таким образом, чтобы ее МДС Fk ,была противоположна по направлению МДС ОЯ Fa.



Рис.4.2. Графики изменения тока в секциях
ГПТ с электромагнитным возбуждением делятся на два основных типа:

ГПТ с независимым возбуждением;

ГПТ с самовозбуждением (параллельным, последовательным, смешанным).

Якорные обмотки МПТ бывают петлевые и волновые (простые и сложные) по внешнему виду секции. S=K=ZЭ. Сложные обмотки состоят из m простых. Обмотки МПТ – замкнутые (конец 1с- начало последней). Элементарным называют паз, в котором– два активных проводника секций. Шаги и ветви ОЯ.

Для петлевых обмоток у=±m (±1); у1= (ZЭ/2p) ± е; у2=у1–у; 2а=2mр.(+-прав)

Для волновых обмоток у=(К±m)/р; у1= (ZЭ/2p)±е; у2=у–у1; 2а=2m.(– -лево)

Обмотки бывают также комбинированными. Обмотки статоров ЭМ переменного тока также петлевые и волновые, но не замкнутые.

ГПТ может включаться на параллельную работу (ПР) с группой генераторов (сетью). Условием включения генератора на ПР с группой работающих генераторов является равенство его ЭДС напряжению на зажимах работающих генераторов.

Режимы работы МПТ


Рассмотрим режимы работы МПТ на примере ДПТ с параллельным возбуждением при Ф=const. В этом случае механическая характеристика ?=f(M) может быть представлена скоростной характеристикой ?=f(I).

ДПТ в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в 3ех режимах: 1-двигательном, 2-тормозном и 3-генераторном.



1. При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря небольшой, что соответствует скорости вращения ?=?хх (точка A) (холостой ход).

Если увеличивать противодействующий момент до значения, при котором якорь двигателя, замедляясь, остановится (точка В), то ток (момент) двигателя достигнет значения пускового значения Iп=Iak=U/r. Т.е. пусковой ток ДПТ определяется напряжением и сопротивлением якоря.

2. При активном характере нагрузки (например, привод барабана, на который наматывается трос с грузом), при последующем увеличении момента этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в другую сторону. Теперь момент, действующий на вал ЭМ со стороны нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент машины—тормозящим, т. е. электрическая машина перейдет в режим тормоза. При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует в согласовании с напряжением I=ID=(U+Ea)/r.

При использовании МПТ в тормозном режиме, вводя в цепь якоря добавочное сопротивление RП, обеспечивающего получение искусственной характеристики двигателя 2, снижают ток до IП= I.

Если при работе ДПТ в режиме холостого хода к его валу приложить момент, направленный в сторону вращения якоря (разматывается трос с грузом), то скорость вращения, а, следовательно, и ЭДС Ea начнут возрастать. Когда ЭДС Ea=U, машина не будет потреблять из сети тока (точка ?0), скорость вращения якоря достигнет значения, называемого пограничной скоростью.

3. При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникнет ток, но другого направления. При этом машина перейдет в генераторный режим: механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет преобразовываться в электрическую и поступать в сеть.

Перевод двигателя в генераторный режим используется для торможения двигателя, так как в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозящим (рекуперативное торможение).

Учитывая что МПТ общего применения реверсивны характеристики располагаются в I и III четверти – для двигательного режима, - II и IV – для генераторного и тормозного режимов.
- При исследовании двигателя определяются зависимости скорости вращения от нагрузки, способы пуска и регулирования скорости и снимаются следующие характеристики: механическая, электромеханическая (скоростная), короткого замыкания и рабочие.

- При исследовании генератора определяются зависимости ЭДС и напряжения от тока возбуждения, напряжения от тока нагрузки и снимаются характеристики холостого хода (рис.12), нагрузочная, внешняя (рис.13), регулировочная (рис.13,а), короткого замыкания.

- Относительное изменение напряжения генератора определяет вид внешней характеристики зависимости напряжения на выходе генератора U от тока нагрузки I: U=f(I) при r=const и  = const.

На рис.13 – внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.

При росте тока нагрузки I, т.е. при снижении сопротивления нагрузки RН, напряжение генератора понижается, что объясняется размагничивающим влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря.


Рис.12 Рис.13 Рис.13, а.

- Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора при сбросе нагрузки

Uн=100 (U0.– Uн)./Uн

Для генераторов независимого возбуждения (ГНВ) Uн = 5-10%, для генераторов параллельного возбуждения (ГПВ)–10-30%.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис. 5.8) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Номинальное изменение напряжения генератора параллельного возбуждения (5.6) составляет 10—30%. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения, помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще и третья причина—уменьшение тока возбуждения, вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин.

Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки rн ток I увеличивается лишь до критического значения Iкр, а затем при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться. Ток нагрузки при коротком замыкании Iк.зкр =0,6 Iном.

Дело в том, что с увеличением тока I усиливается размагничивание генератора (усиление реакции якоря и уменьшение тока возбуждения) и машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС машины. Уменьшение тока после достижения критического значения вызвано тем, что U убывает быстрее, чем уменьшается rн.



Рис. 5.8.

Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки не опасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не успевает сразу размагнититься, и ток Iк.з достигает опасных для машины значений Iк.з =(8—12) Iн.

При таком резком возрастании тока на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. В связи с этим возникает необходимость защиты генераторов от перегрузки и короткого замыкания посредством плавких предохранителей или же применением системы релейной защиты.

Генераторы параллельного возбуждения широко используют в установках постоянного тока, т.к. отсутствие возбудителя выгодно отличает их от генераторов независимого возбуждения.

На преобразовательных подстанциях постоянного тока обычно устанавливают несколько генераторов и включают их параллельно на общие шины. При включении генераторов на параллельную работу необходимо соблюдать следующие условия:

1) ЭДС подключаемого генератора Ео должна быть равна напряжению сети Uс, 2) полярность зажимов подключаемого генератора должна соответствовать полярности сети.

При изменениях нагрузки токи I1 и I2 распределяются между двумя генераторами в соответствии с их внешними характеристиками. Нагрузка между генераторами распределяется обратно пропорционально сопротивлениям цепи якоря. При включении на параллельную работу генераторов смешанного возбуждения следует предусмотреть в схеме уравнительный провод, соединяющий одноименные зажимы якорной обмотки.

- Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. Поток возбуждения создается в основном параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается согласно с параллельной (МДС обмоток складываются), что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора (Uн ? 0).

Встречное включение обмоток применяется лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных генераторах, где необходимо получить круто падающую внешнюю характеристику.

Но наиболее значительной зависимостью напряжения от нагрузки отличаютсятся генераторы последовательного возбуждения, у которых ток возбуждения равен току нагрузки (iв=I), a, поэтому свойства определяются лишь внешней характеристикой (рис. 5.9, б). При холостом ходе ЭДС генератора невелика (E0=Eост).



Рис.15.3

- Принцип самовозбуждения лежит в основе работы ГПВ.

Самовозбуждение ГПТ возможно при соблюдении следующих условий:

а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;

б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы магнитный поток этой обмотки совпадал по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост (правильное включение ОВ);

в) скорость вращения якоря должна быть больше критической (достаточной).

- В генераторе с параллельным возбуждением включение в работу возможно при соблюдении всех условий самовозбуждения.

Так как генератор параллельного возбуждения, самовозбуждается лишь в одном направлении (тока возбуждения), то и характеристика холостого хода этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей координат. По этой же причине нельзя изменять направление вращения якоря без изменения схемы включения.

- ЭДС якоря и электромагнитный момент МПТ

ЭДС проводника обмотки якоря по закону индукции e=B l v.

ЭДС обмотки равна ЭДС параллельной ветви, содержащей N/2a последовательных проводников.

Воспользуемся средним значением магнитной индукции, так как значения индукции В в пределах полюсного деления . Тогда среднее значение ЭДС, индуктируемой в обмотке, уложенной на поверхности якоря, равно Eср= Bср l v.

Поэтому ЭДС обмотки якоря между щетками машины

Ea=Eср N/ 2a= Bср l v N/2a. (16.11)

Перейдем от окружной скорости вращающегося якоря v, [м/сек] к угловой скорости вращения якоря [рад/с]

v=D /2

где Dдиаметр якоря, м; l—длина якоря, м.

Учтем, что площадь, которую пронизывает магнитный поток одного полюса, есть произведение l (рис. 2.33) при =1, получим

Вср =Ф/l =2 Ф p/l D, (16.11,a)

где Ф—магнитный поток в воздушном зазоре под одним полюсом, полюсное деление = D / 2 р. Подставив (16.11,а) в (16.11) перейдя к угловой скорости , получим ЭДС обмотки якоря

Еa= p N Ф  /2 a. (16.12)

Величина pN/2 a для данной машины является постоянной и в системе СИ

C=Ce =p N /2 a (16.13)

Окончательно Еa =С Ф . (16.14)

Здесь ЭДС Ea в вольтах, а магнитный поток Ф в веберах (Вб). Наибольшее значение ЭДС имеет место при секциях с полным шагом и при положении условных щеток на геометрической нейтрали.

Выражение для электромагнитного момента M МПТ получим, если воспользуемся формулой преобразования мощности в ГПТ F v=B l I v=EI и перейдем от прямолинейного к вращательному движению с помощью формул:

F =2 M /D; v=D / 2. Тогда выражение для МПТ получит вид

(2 M /D) (D / 2) = E I и после сокращения M = E I. Откуда M=EI/.

Подставив в последнее уравнение (16.14) получим

M =С Ф I. (16.15)

Используя полученные уравнения (16.12, 2.11,a), и выражение для линейной нагрузки N I /2 D a= A можно определить расчетную мощность машины P=m I E, (для МПТ m=1)

P'= D2 l  B A  / 2,

где  =b / – коэффициент полюсного перекрытия , b – ширина полюса. Из этого уравнения получается значение машинной постоянной Арнольда CA, определяющей мощность машины (=const), приходящуюся на единицу объема ( в системе СИ CA=(1,6–16) 10-5 м с2/кг)

СA= D2 l / P'= 6 10–1/B A. (16.16).

- M =С Ф I. Величина вращающего момента двигателя постоянного тока определяется из уравнения моментной характеристики ДПТ).

- Для определения вращающего момента ДПТ необходимо в выражение M =С Ф I подставить значение конструктивной постоянной (в системе СИ) С=сем= pN/2? a. В формуле для М: p – число пар полюсов, N – число проводников обмотки якоря, a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

- Нагрузку, создаваемую при работе двигателя рабочим механизмом, в лаборатории реализуют с помощью генератора электромашинного агрегата, в цепи якоря которого включено регулируемое сопротивление (реостат).

- Пусковой ток ДПТ определяется напряжением и сопротивлением якоря Iп=U/r. При пуске =0, Е=0. Поэтому необходимо введение реостата, чтобы ограничить ток при пуске: Iп=U/(r+RП).

- Одними из основных характеристик любого двигателя постоянного тока являются механическая ?=U/cФ –М r/c2 Ф2 (или электромеханическая ?=U/cФ –I r/c Ф) и моментная M =С Ф I характеристики. На рис.18,а – характеристики ДПТ с параллельным возбуждением (отрезки прямых). На рис.18,б –механическая характеристика (гипербола) и моментная характеристика двигателя последовательного возбуждения.



Рис.18,а Рис.18,б.
- Потери машины определяют КПД.

Для двигателя КПД = P2/P1= U I – ?p/(UI).

Для генератора КПД = P2/P1= U I /(UI + ?p).

- В суммарные потери входят ?p= (pc+ pмех)+ pэв+ [pэл+ pщ]+ pД,

Где, соответственно, потери в стали pc2; механические pмех; электрические: в обмотке возбуждения pэв ? Iв2, в обмотке якоря pэл ? I2, в щетках pщ; добавочные pД.

Если имеются добавочные полюса, то к [переменным] потерям добавляется рдп.

- Зависимость КПД= f(P2) КПД= f(I) имеет типичный вид с максимумом при равенстве потерь [переменных] и (постоянных). На рис.20 представлена зависимость КПД=f(P2) ДПТ с независимым возбуждением

Так как двигатели работают по статистике с недогрузкой, то их проектируют так, что максимум обычно соответствует нагрузке меньшей номинальной (0,6-0,8) P.



Рис.20. Рис.21.

Если двигатель работает с небольшой, но длительной перегрузкой, то повышается вероятность выхода из строя из-за перегрева и постепенного ухудшения изоляции.

- Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость скорости вращения n, величины тока I, коэффициента полезного действия ?, вращающего момента М от мощности на валу двигателя P2 при U=const и iB=const (рис. 21).

Из-за жесткости характеристик при независимом возбуждении график M=f(P2) имеет вид близкий к прямой. Если поток Ф=const, то этот график является в то же время выражением зависимости I=f(Р2).

- Для регулирования скорости ДПТ можно использовать изменение сопротивления и напряжения якоря и магнитного потока. Рассмотрим эти способы для двигателя с независимым возбуждением.

А). Реостатные искусственные характеристики U=Uн, Ф=Фн. При изменении сопротивления якорной цепи пограничная скорость ?0 - не изменяется, но увеличивается угловой коэффициент и характеристика становится мягче (Рис. 22). Механическая характеристика при включении дополнительного сопротивления в цепи якоря rП называется искусственной реостатной.

; М, =?0 – ??иск

где ; - угловой коэффициент.



Рис. 22.1. Реостатные характеристики ДПТ с параллельным и независимым возбуждением.

Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называется номинальным изменением скорости ?н= 100 (?0 – ?н) /?н

б). Искусственные характеристики при изменении потока возбуждения (при U=Uн; Rр=0)

или

Номинальный магнитный поток машин близок к потоку насыщения. Поэтому изменение величины магнитного потока может вестись только в сторону снижения, т.е. Ф<Фн или Ф=Фн, где <1 - степень ослабления потока. При уменьшении потока пограничная скорость изменяется обратно пропорционально потоку (??1/Ф). Ослабление потока позволяет регулировать скорость вверх от естественной характеристики.


Рис 22.2. Искусственные характеристики машин

с параллельным и независимым возбуждением при ослаблении поля.


При малых значениях тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи возбуждения (Iв=0) скорость вращения двигателя неограниченно возрастает, что приводит к «разносу» двигателя, т.е. его механическому разрушению. Поэтому в цепь ОВ не ставят выключатели и предохранители.

в). Изменение подводимого напряжения (Ф=Фн , Rр=0). Как видно из характеристики ?о=U/cФ –r M/(c2 Ф2) при изменении напряжения, подводимого к якорю ДПТ НВ, меняется пограничная скорость, а угловой коэффициент остается неизменным (Рис. 27). Искусственные характеристики будут параллельны естественной.


Рис 22.3 Искусственные характеристики машин

с независимым возбуждением при изменении подводимого напряжения.


Недостатком способа является необходимость ЭМ или управляемого выпрямителя, равного по мощности двигателю, что удорожает систему.

- Для ДПТ с последовательным возбуждением (сериесного двигателя СДПТ) является характерным то, что Iя=iв, поэтому при изменении нагрузки меняется и магнитный поток машины Фconst.

Рис 32. Машина постоянного тока

с последовательным возбуждением (сериесная машина)

..


Для ненасыщенной машины (Ф=КфiвфIя) уравнение скоростной характеристики примет вид:

где ; т.е. ? =к/IЯ

уравнение момента – ;

электромагнитная мощность P=M ?=k2 Iя

При насыщении (Ф=Фнас=const). ;

Таким образом скоростная характеристика имеет вид гиперболы, переходящей в прямую, а моментная характеристика М=f(Iя) – параболы, переходящей в прямую (Рис. 33).


Рис 33. Скоростная характеристика машины постоянного тока

с последовательным возбуждением .


Как видно из скоростной характеристики, при малых нагрузках скорость двигателя резко увеличивается. При уменьшении тока происходит ослабление магнитного потока (до величины потока остаточного намагничивания), что приводит к резкому увеличению скорости, недопустимому для якоря по условиям механической прочности. Происходит так называемый «разнос» машины. По этой же причине этот двигатель не пускают вхолостую.

Основными особенностями сериесных машин является:

1. Работа СДПТ и его пуск при нагрузке на валу менее 25% номинальной недопустимы. По этой причине недопустима ременная передача.

2. Мягкость характеристик, т.е. резкое снижение скорости при увеличении нагрузки. Это способствует устойчивой работе при любой нагрузке.

3. Так как пограничная скорость этих машин стремится к бесконечно большой величине, то режим рекуперации (при ) СДПТ невозможен.

4. Момент пропорционален квадрату тока, что важно при тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как мощность на входе СДПТ растет медленнее - пропорционально току, что важно в транспортных и крановых приводах.

5.Неизменность момента на валу при изменении напряжения СДПТ

М=СмФIя, но Ф=f(Iя) [n=kU; n=k1/Ф]

Два последних свойства делают сериесные машины особенно привлекательными для целей электрической тяги (электровозы, электрокары и т.п.). При движении в точках, удаленных от преобразовательных подстанций, или при питании от аккумуляторных батарей снижение напряжения не сказывается на силе тяги (но сказывается на скорости).

- Процесс изменения тока в секциях при переключении их из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. Секция, в которой происходит коммутация, называется коммутирующей секцией. Время, в течение которого происходит процесс коммутации, называется периодом коммутации Тк. Период коммутации составляет 0,0001…0,01 с и вызывает вторичные явления механического, термического, электрохимического и электромагнитного характера.

Переход щетки с одной пластины на другую при вращении якоря сопровождается переключением секции из одной параллельной ветви в другую и изменением тока в этой секции.

При идеальной (линейной) коммутации (щетки расположены на геометрической нейтрали и в коммутирующей секции в не индуктируются электродвижущие силы, ширина щетки равна коллекторному делению (bщ=bк)). график изменения тока коммутирующей секции от +i = +Ia /2 до –i=–Ia /2 представляет собой прямую линию (рис.4.2,а). Уравнение линейной коммутации имеет вид:

i1 /i2= r2/ r1 (4.1)

где r1 и r2 – переходные сопротивления между щеткой и сбегающей 1 и набегающей 2 пластинами, i1 и i2 – токи, переходящие в обмотку якоря через пластины 1 и 2:

i1 =i+ik; i2= i– ik, (4.1а)

здесь ik – ток коммутирующей секции.

Уравнение (4.1) можно записать в виде:

i1 r1 – i2 r2=0 (4.1б).

Плотность тока под щеткой в течение всего периода коммутации остается неизменной (ток пропорционален площади контакта).

В реальных условиях работы (по второму закону Кихргофа) уравнение для коммутирующей секции замкнутой щеткой (основное уравнение коммутации) имеет вид

i1 r1 – i2 r2=eр+ eк , (4.6)

где результирующая реактивная ЭДС eр =eL+ eM (ЭДС самоиндукции eL =- LS dik / dt, ЭДС взаимоиндукци eM =- MS dik / dt), ЭДС вращения eк =2Bкlwsv.

Суммарная ЭДС e= eр+ eк создает в коммутирующей секции добавочный ток коммутации iД=e /(r1+r2), который суммируется с током линейной коммутации, и так как ЭДС е имеет реактивный характер, препятствует изменению тока в коммутирующей секции, ведет к замедленной коммутации

При применении добавочных полюсов в случае, когда удается компенсировать влияние реактивной ЭДС, создавая в зоне коммутации магнитное поле, вызывающее такую eк, чтобы eр+ eк=0, получают линейную коммутацию. Для этого в генераторном режиме работы полярность добавочных полюсов должна быть такой же, как у следующих по направлению вращения главных полюсов. Действие добавочных полюсов одинаково при изменении нагрузки от 0 до номинального тока, так как они включены последовательно с обмотками главных полюсов. Если н.с. Fд добавочных полюсов больше требуемой величины (1,15…1,3 Fa), то eк > eр, ток iД направлен встречено току i, поэтому ток в коммутирующей секции достигает нуля раньше времени Тк/2. Коммутация становится ускоренной, что вызывает увеличение плотности тока под набегающим краем щетки и увеличивает опасность возникновения искрения (рис.4.2,в).

2. ОБМОТКИ ЯКОРЕЙ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

ВРАЩАЮЩИЙ МОМЕНТ И ЭДС ЯКОРЯ

  1   2   3   4   5


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации