Работа машины постоянного тока в режиме двигателя

Конструкция двигателя постоянного тока аналогична конструкции генераторов постоянного тока. Статор с главными полюсами и обмоткой возбуждения создает магнитное поле индуктора.

В двигателе электрическая энергия, поступающая из сети, преобразуется в механическую, которая передается рабочему механизму, находящемуся на валу якоря.

В двигателе и на обмотку якоря, и на обмотку возбуждения подается напряжение и в обеих обмотках появляется ток. Ток  создает магнитный поток . Проводники с током якоря  оказываются в неподвижном магнитном поле  и на них действует сила Ампера, которая создает электромагнитный момент:

                                              .                                         (5)

Во вращающихся в магнитном поле проводниках якоря индуцируется эдс:

                                                  ,                                            (6)

тогда напряжение сети уравновешивается:

                                               .                                          (7)

Из уравнения (5) следует, что .

Подставив значения  и Е _а в уравнение (7) получим

                                        .                                   (8)

Из (8) получим выражение для частоты вращения двигателя:

                                      .                                  (9)

Основные характеристики двигателей. По способу возбуждения двигатели подразделяются на: с независимым, параллельный, последовательным и смешанным возбудением. Двигатели постоянного тока независимо от способа возбуждения описываются одними и теми же приведенными выше уравнениями: для эдс якоря ; для напряжения ; электромагнитного момента двигателя ; тока якоря ; частоты вращения вала двигателя .

Для двигателя наиболее важными являются механическая и рабочие характеристики.

Механическая характеристика  представляет собой зависимость частоты вращения якоря от электромагнитного момента.

У двигателя последовательного возбуждения при малых нагрузках  частота вращения резко возрастает и возможен «разнос» двигателя, который приводит к поломке механической части. Поэтому такие режимы должны быть исключены. Двигатели смешанного возбуждения обладают свойствами последовательного и параллельного возбуждения. Механическая характеристика у них более жесткая, чем характеристика двигателя последовательного возбуждения, однако двигатели смешанного возбуждения обладают большим пусковым моментом и могут работать и при малых нагрузках на валу.

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока тока , , где h  – коэффициент полезного действия, позволяющий выбрать наиболее оптимальные зоны работы двигателя.

Регулирование частоты вращения двигателя возможно [как следует из уравнения (9)] путем изменения или напряжения  (регулирование со стороны якоря), или потока возбуждения  (регулирование со стороны возбуждения), или введением дополнительного сопротивления ().

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Назовите конструктивные элементы двигателя постоянного тока. Каково их назначение?

2. Запишите основное уравнение эдс и напряжений для двигателя постоянного тока.

3. Дайте определение понятия о коммутации в машинах постоянного тока.

4. Каково назначение дополнительных полюсов?

5. Какая величина определяется выражением  ?

6. Какие моменты действуют на вал электродвигателя?

7. Каковы способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока?

 

Трансформаторы

Трансформатор – это статический аппарат, в котором электромагнитным путем производится преобразование энергии переменного тока по напряжению.

Потребность трансформирования – повышение и понижение переменного напряжения – вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Чем выше напряжение, тем при равной мощности источника энергии меньше ток. Следовательно, для передачи энергии требуются провода меньшего сечения, это приводит к значительной экономии цветных металлов, из которых изготавливаются провода линий электропередачи. Потери электрической энергии в проводах также уменьшаются с уменьшением тока.

Основные части силового трансформатора промышленной частоты – это стальной замкнутый сердечник и две обмотки, находящиеся на стер­жнях сердечника: первичная, которая соединяется с источником энергии, и вторичная, которая соединяется с нагрузкой.

Магнитопровод служит для концентрации и увеличения магнитного потока. Ферромагнетики, попадая во внешнее магнитное поле, создают свое магинтное поле, поток которого намного больше потока катушки.

Обмотка, подключаемая к сети, называется первичной, к потребителю – вторичной.

Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции.

Под действием подводимого переменного напряжения в первичной обмотке возникает ток  и возбуждается переменный магнитный поток. Этот магнитный поток индуцирует в первичной обмотке трансформатора эдс самоиндукции Е ₁, а во вторичной обмотке – эдс взаимоиндукции Е ₂. Эдс Е ₂ создает напряжение U ₂ на выходных зажимах трансформатора. При замыкании вторичной цепи на нагрузку возникает ток I ₂.

Степень преобразования напряжения трансформатором характеризуется коэффициентом трансформации, который выражает отношение электродвижущих сил обмоток первичного напряжения к эдс обмоток вторичного напряжения, т. е. отношение напряжений при холостом ходе:

                                          .                                    (10)

Для определения основных параметров и построения характеристик трансформаторы подвергают испытанию. Имеется несколько испытательных режимов.

1. Опыт холостого хода

В этом режиме работы трансформатора на первичную обмотку подается номинальное напряжение , а цепь вторичной обмотки разомкнута (рис. 1).

 

Рис. 1. Схема к опыту холостого хода трансформатора:

а – однофазного; б – трехфазного

Режим холостого хода позволяет опытным путем установить характерные для трансформатора величины: ток холостого хода, потери мощности в стали, коэффициент трансформации, коэффициент мощности холостого хода, полное сопротивление.

2. Опыт короткого замыкания

Потери в обмотках трансформатора определяются опытом короткого замыкания.

Короткое замыкание трансформатора – испытательный режим, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко, а в первичную включено такое пониженное напряжение, при котором ток первичной обмотки равняется номинальному.

Это напряжение, называемое напряжением короткого замыкания, является одним из постоянных, характеризующих трансформатор; обычно оно составляет 5–10 % от номинального.

Схема опыта короткого замыкания приведена на рис. 2.

Рис. 2. Опыт короткого замыкания трансформатора:

а – однофазного; б – трехфазного

 

Мощность, затраченная при коротком замыкании, почти целиком расходуется на нагревание обмоток трансформатора. Потери в стали будут малы (так как магнитный поток при пониженном напряжении незначителен) и ими пренебрегают.

По мощности потерь при коротком замыкании можно рассчитать: потери в обмотках (или потери в меди), коэффициент трансформации, коэффициент мощности короткого замыкания, полное сопротивление.

Рабочий режим – это режим работы трансформатора под нагрузкой.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. Что такое трансформатор? Для чего они применяются? Каково его устройство, принцип действия и область применения?

2. Как определить коэффициент трансформации и коэффициент мощности?

3. Почему трансформаторы применяются только в цепях переменного тока?

4. Как определяют потери мощности в обмотках трансформатора и от чего они зависят?

5. Какова роль режима холостого хода работы трансформатора и как он осуществляется?

6. Изобразите схему опыта короткого замыкания и что можно рассчитать по мощности потерь при нем?

 

Машины переменного тока

В Германии в 1891 г. была наглядно продемонстрирована первая передача электрической энергии посредством трехфазных цепей из Лауфена во Франкфурт-на-Майне. Напряжение в линии передачи составляло 15 000 В, расстояние – 170 км, коэффициент полезного действия – более 70 %.

Передача электрической энергии способствовала открытию широкой дороги в промышленность трехфазным цепям и машинам переменного тока: синхронным трехфазным генераторам и асинхронным двигателям в технологических процессах на промышленных предприятиях.

Действие всех многофазных машин основано на принципе вращающегося магнитного поля, поэтому теория во многом для них является общей.

Если вращение ротора происходит в такт, т. е. синхронно вращению магнитного поля, то такая машина называется синхронной. Кроме выработки электроэнергии на электростанциях, синхронные машины используются и как электродвигатели, главным образом большой мощности, и как компенсаторы реактивной мощности.

Если вращение ротора несинхронно (асинхронно) вращающемуся магнитному полю, то такие машины называются асинхронными и повсе­местно используются в промышленности как двигатели.

Коллекторные машины переменного тока, работающие на небольшой мощности, имеют ограниченное применение.

Машины переменного тока, наиболее применяемые в технологических процессах, имеют следующую классификацию:

1) синхронные машины:

– с явно выраженными полюсами ротора;

– с неявно выраженными полюсами ротора.

2) асинхронные машины:

– с короткозамкнутым ротором;

– с фазным ротором (с контактными кольцами на валу ротора);

3) коллекторные машины переменного тока.

Следует помнить основное свойство электрических машин – они обратимы; т. е. одна и та же конструкция машины позволяет ей работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

Принцип действия указанных выше машин подробно описаны в [1–3, 5].

Важнейшим параметром асинхронной машины является скольжение – величина, характеризующая разность частот вращения магнитного поля и ротора, определяемая, %, по формуле

                                 или  %,                          (11)

где  – частота вращения магнитного поля статора, об/мин; n – частота вращения ротора, об/мин;  – частота вращения скольжения, об/мин.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин асинхронные машины могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах. Кроме того, они могут работать в режиме электромагнитного торможения противовключением.

Так, при пуске асинхронного двигателя, когда частота вращения магнитного поля  присутствует, а ротор только начинает приходить во вращение , скольжение .

По мере разгона частота вращения ротора n будет расти, а скольжение  уменьшаться. Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называют номинальным . Для асинхронных двигателей общего назначения = 1–8 %, при этом для двигателей большой мощности = 1 %, а для двигателей малой мощности = 8 %.

При помощи постороннего двигателя частота вращения ротора машины может быть увеличена до скорости вращения магнитного поля, т. е. . При этом скольжение составит

                                           .                                     (12)

В этом случае ротор и поле будут взаимно неподвижны, а токи в роторе и электромагнитные силы исчезнут. Такой режим называют идеальным холостым ходом асинхронной машины.

В генераторном режиме обмотку статора включают в 3-фазную сеть, а ротор асинхронной машины посредством приводного двигателя вращают в направлении вращения магнитного поля с частотой > . Так как ротор будет обгонять поле статора, то направление движения ротора относительно поля статора изменится на обратное по сравнению с двигательным режимом. При этом скольжение станет отрицательным,

                                                ,                                         (13)

а, эдс, наведенная в обмотке ротора, изменит своё направление. Токи и электромагнитный момент ротора тоже изменят своё направление. Такой момент будет противодействовать вращению приводного двигателя. На этом основании асинхронная машина, ротор которой вращается в направлении вращения магнитного поля с частотой, превышающей частоту поля, является генератором.

Скольжение асинхронной машины в генераторном режиме может изменяться в диапазоне 0 > S > – ∞.

Асинхронная машина может также работать в режиме электромагнитного тормоза. В этом случае ее ротор и магнитное поле вращаются в разных направлениях.

Например, машина работает в двигательном режиме. Если изменить порядок фаз чередования, подводимого к обмоткам статора напряжения, то вращающееся поле статора изменит направление вращения на обратное. При этом ротор асинхронной машины под действием сил инерции будет продолжать вращение в прежнем направлении, т. е. ротор и магнитное поле статора будут вращаться в противоположных направлениях. В этих условиях электромагнитный момент машины, направленный в сторону вращения поля статора, будет оказывать на ротор тормозящее действие.

В режиме электромагнитного торможения частота вращения ротора по отношению к частоте вращения поля статора является отрицательной, поэтому скольжение имеет положительное значение:

                                       > 1.                                (14)

Скольжение асинхронной машины в режиме торможения противо­включением может изменяться в диапазоне 1 < S < + ∞, т. е. принимать любые положительные значения больше единицы.

У синхронных машин частота вращения магнитного поля статора и вращения ротора одинакова , следовательно, скольжение всегда равно нулю .

При выполнении лабораторных работ часто приходится рассчитывать следующие коэффициенты:

1) коэффициент мощности, определяемый по формуле

                                ,                         (15)

где Р ₁ – активная трехфазная мощность, измеряемая ваттметром, Вт; S –полная или кажущаяся мощность, ВА; U _1ф, U _1л – фазное и линейное напряжения на обмотках статора, В; U _1л = U _1ф при соединении в «звезду»;
I _1ф, I _1л – фазный и линейный токи в обмотках статора, А; I _1л = × I _1ф при соединении в «треугольник».

2) коэффициент полезного действия

                                                     ,                                              (16)

где Р ₂ – полезная мощность; у двигателей это механическая мощность на валу, Вт. Значение полезного момента на валу определяется, Нм, на основе соотношения Р ₂ = М ₂ω:

                                                   ,                                            (17)

где ω – угловая скорость вращения ротора, 1/с; определяемая по частоте вращения n, выраженной в об/мин:

                                           = 0,1047 n.                                    (18)

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

1. В чем отличие синхронной машины от асинхронной?

2. Объясните конструкцию синхронной машины.

3. Объясните принцип работы синхронного генератора и его назначение.

4. Перечислите характеристики синхронного генератора, работающего в автономном режиме.

5. Объясните принцип действия и устройство 3-фазных асинхронных двигателей.

6. Как образуется вращающий магнитный поток статора?

7. Что такое скольжение в асинхронных машинах? Как определяется эта величина? Назовите режимы работы асинхронной машины.

8. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей?

9. Какие существуют способы регулирования частоты вращения ротора асинхронных двигателей?

10. В чем сущность регулирования частоты вращения ротора при М = const?

11. Чем можно регулировать частоту питающего напряжения, подводи­мого к обмоткам статора асинхронного двигателя?

 

Рекомендуемая литература: [1, 5].

2. ОБЩИЕ ТРЕБОВАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ
И ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ

Лабораторные работы по электрическим машинам способствуют закреплению теоретических знаний, позволяют ознакомиться с устройством электрических машин и аппаратов управления, дают возможность научиться управлять электрическими машинами, а также получить навыки составления и монтажа электрических схем.

Кроме того, что особенно важно, развивают у студентов умения теоретически объяснять и анализировать результаты работы и повышают интерес к проведению самостоятельных исследований.

Для наиболее эффективного использования рабочего времени в лаборатории и сознательного выполнения необходимых исследований каждый студент должен заранее ознакомиться с содержанием предстоящей работы и повторить соответствующий раздел теории.

Допущенные к работе студенты знакомятся с электрической машиной, реостатами, пусковыми и регулировочными приспособлениями, производят запись данных щитка машины и реостатов: тип, номер и номинальные значения напряжения, тока, мощности, частоты вращения, режима работы.

Рабочее место оснащено постоянным набором пусковой и регулирующей аппаратуры и электроизмерительных приборов. Как правило, один и тот же стенд предназначен для выполнения нескольких лабораторных работ. Перед студентами стоит задача разобраться, какие приборы и аппараты необходимы для выполнения лабораторной работы и как их следует включать в отдельные ветви схемы проводимого опыта.

После выбора аппаратуры управления и электроизмерительных приборов начинают сборку монтажной схемы в соответствии с принципиальной схемой, данной в руководстве. При этом следует помнить, что по размещению аппаратуры и приборов они, за редким исключением, отличаются. Очень важно, чтобы монтажная схема была по возможности простой.

Сборку монтажных схем удобнее производить следующим образом. Руководствуясь принципиальной схемой, собрать главную последовательную цепь от одного зажима источника энергии до другого, а затем присоединить к ней все параллельные цепи.

Каждая собранная схема обязательно должна быть проверена преподавателем или лаборантом, и только после их разрешения она может быть включена под напряжение.

При включении схемы под напряжение необходимо следить за показаниями электроизмерительных приборов. Во многих случаях по ним можно судить о неисправностях и ошибках в схеме. Если это произошло, машину следует отключить от источника энергии и устранить неисправность. Затем запустить машину и проделать пробный опыт, показания приборов при этом не записывают, так как необходимо убедиться в правильности собранной схемы и соответствии электроизмерительных приборов измеряемым величинам.

Результаты измерений (по 6–7 точкам) необходимо представить преподавателю. Если результаты опытов будут признаны неудовлетворительными, то работа выполняется повторно. По окончании лабораторной работы и проверки преподавателем данных схема разбирается и рабочее место приводится в порядок.

Отчет о лабораторной работе представляется каждым студентом индивидуально. Он составляется на отдельных листах бумаги или в особой тетради, тщательно и аккуратно оформляется.

На титульном листе указываются: наименование университета и кафедры, название работы, фамилия и инициалы студента, номер группы и дата выполнения.

Отчет должен содержать: название работы; цель работы; схему опыта; основные расчетные формулы; таблицы с результатами измерений и вычислений; необходимые графики; краткие выводы.

Все схемы должны соответствовать стандартным обозначениям. На графиках, выполненных чертежным карандашом, не должно быть лишних поясняющих надписей. При построении графиков по оси абсцисс в масштабе откладывают независимую переменную. Допускается построение в одних осях нескольких кривых, если это усиливает наглядность и облегчает сопоставление. В этом случае проводятся дополнительные оси параллельно основной, каждая из которых должна иметь свой масштаб.

Графики выполняются размером не менее чем 8´8 см в удобном для построения и использования масштабе. Масштаб принимается равным 1,2,5 10 ⁿ,где n = ± 0, 1, 2….

На основе анализа экспериментальных данных формулируются выводы, в которых указывается, какие теоретические положения подтверждаются результатами опытов исследуемых электрических машин.

Защита лабораторных работ проводится индивидуально при наличии отчета. При защите лабораторной работы студент должен показать достаточные теоретические знания, раскрыть физическую сущность процессов, уметь объяснить построенные графики и диаграммы, ответив на любой вопрос, рекомендуемый для самоподготовки.