Схемы и группы соединения трехфазных трансформаторов

Первичную и вторичную обмотки трехфазного трансформатора соединяют в звезду, треугольник или зигзаг (рис.1.13.).

Примечание: Соединение в зигзаг применяют только в трансформаторах специального назначения, например, в трансформаторах для выпрямительных устройств.

Соединение обмотки в звезду обозначается значком Υ.Соединение в треугольник обозначается соответственно значкомΔ. Соединение в зигзаг – значком Z. При соединении в зигзаг обмотка, как правило, делится на две одинаковые части, расположенные на соседних стержнях. Это способствует уменьшению асимметрии напряжений при несимметричной нагрузке фаз.

При соединении звездой линейное напряжение больше фазного: , а при соединении обмоток треугольником линейное напряжение равно фазному: U_Л=U_Ф. Следовательно, отношение линейных напряжений в трехфазном трансформаторе зависит не только от соотношения чисел витков фазных обмоток, но и от схемы соединения обмоток. Так, например, при соединении обмоток Υ/Υ или Δ/Δ отношение линейных напряжений обмоток равно , при соединении , а при соединении обмоток .

Первичную и вторичную обмотки трехфазного трансформатора можно соединять в различные схемы: Y/Y; Y/Δ; Δ/Y и Δ/Δ. В числителе указывается схема соединения первичной обмотки, а в знаменателе – вторичной. Если при соединении звездой выводится нулевая точка, то применяется знак Y_о.

Примечание: В авиационных трансформаторах, как правило, первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения ВН, а вторичная – обмоткой низшего напряжения НН).

Способы соединения первичной и вторичной обмоток, порядок соединения обмоток при образовании звезды и треугольника, соответствующая маркировка начала и концов фаз приводят к различной разности фаз соответствующих линейных напряжений первичной и вторичной обмоток. Эта разность фаз имеет большое практическое значение, особенно при параллельной работе. Так как возможный угол разности фаз всегда кратен 30 градусам, то принято различать 12 групп соединений (в пределах 360⁰). Для определения номера группы используют циферблат часов. Вектор первичной линейной э.д.с. направляют на цифру 12 циферблата, а номер группы определяется часом, на который попадает при этом вектор соответствующей вторичной линейной э.д.с.

Примечание: Совпадение по фазе векторов первичной и вторичной Э.Д.С., эквивалентное совпадению стрелок часов на циферблате, обозначается группой 0, а не 12.

На рис.1.14 показано, что при соединении первичной и вторичной обмоток по схеме Y/Y можно получить группы 6 и 0. Приведенное на рис.1.15. соединение по схеме Υ/Δ дает группы 11 и 5.

Стандартизированы две группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов: 0 и 11:

1) звезда – звезда с выведенной нулевой точкой ;

2) звезда – треугольник ;

3) звезда с выведенной нулевой точкой – треугольник ;

4) звезда - зигзаг с выведенной нулевой точкой (Y/ -11);

5) треугольник - звезда с выведенной нулевой точкой (Δ/Υ_О -11).

На самолетах при выполнении трехпроводной сети обычно применяются трехфазные трансформаторы группы .

Трехфазные же трансформаторы характеризуются коэффициентами трансформации:

а) фазным – отношением числа витков w_вн фазы обмотки высшего напряжения (ВН) к числу витков w_нн фазы обмотки низшего напряжения (НН),

_{. (5.3)}

б) линейным – отношением линейного напряжения обмотки ВН к линейному напряжению обмотки НН в режиме холостого хода ,

. _(5.4)

62.Вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле. Обычно под вращающимся магнитным полем понимается магнитное поле, вектор магнитной индукции которого, не изменяясь по модулю, вращается с постоянной угловой скоростью. Впрочем, вращающимися называют и магнитные поля магнитов, вращающихся относительно оси, не совпадающей с их осью симметрии (например, магнитные поля звезд или планет).

Векторная сумма (не изображенный вектор, соединяющий начало первого из складываемых векторов и конец третьего) трех магнитных полей, создаваемых тремя катушками статора (синие стрелки) есть вращающееся магнитное поле - вращающийся вектор постоянной длины. Ротор на картинке представляет собой постоянный электромагнит, вращающийся вслед за вращающимся магнитным полем, создаваемым статором (см. Синхронный двигатель).

Вращающееся магнитное поле создают, накладывая два или более разнонаправленных переменных, зависящих от времени по синусоидальному закону, магнитных полей одинаковой частоты, но сдвинутых друг относительно друга по фазе.

Это было на практике осуществлено независимо в 1888 году итальянским физиком Г. Феррарисом и сербским инженером Н. Тесла^[1]. Применяется в синхронных и асинхронных машинах.

Разность фаз для двухфазных систем (два перпендикулярных электромагнита) должна составлять 90°, а для 3-фазных (три электромагнита, направленных в одной плоскости под углом 120° друг к другу) 120°.

63.Устройство и принцип действия асинхронного двигателя.

Асинхронный электродвигатель имеет две основные части – статор и ротор. Неподвижная часть двигателя называется статор. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Вращающаяся часть машины называется ротор, в пазах его тоже уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35-0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается как можно меньше (0,3-0,35 мм в машинах малой мощности и 1-1,5 мм в машинах большой мощности).
В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами. Наибольшее распространение получили двигатели с короткозамкнутым ротором, они просты по устройству и удобны в эксплуатации.
Трехфазная обмотка статора помещается в пазы и состоит из ряда катушек, соединенных между собой. Каждая катушка сделана из одного или нескольких витков, изолированных между собой и от стенок паза.

Рис. 1. Различные виды обмотки статора асинхронных электродвигателей

На рис. 1, а) показана обмотка статора асинхронного электродвигателя. У этой обмотки каждая катушка состоит из двух проводников. Обмотка, состоящая из трех катушек, создает магнитное поле с двумя полюсами. За один период трехфазного тока магнитное поле сделает один оборот. При частоте 50 Гц это будет соответствовать 50 об/сек, или 3000 об/мин.
На рис. 1, б) показана обмотка, у которой каждая сторона катушки состоит из двух проводников.
Скорость вращения магнитного поля четырехполюсного статора вдвое меньше скорости вращения поля двухполюсного статора, т. е. 1500 об/мин (при 50 Гц). Обмотка четырехполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу показана на рис. 1, в), а с двумя проводниками на полюс и фазу – на рис. 1, г). Магнитное поле шестиполюсного статора имеет втрое меньшую скорость, чем двухполюсного, т. е. 1000 об/мин (при 50 Гц). Обмотка шестиполюсного статора с одним проводником на полюс и фазу представлена на рис. 1, д). Число всех пазов на статоре равно утроенному произведению числа полюсов статора на число пазов, приходящееся на полюс и фазу.

Таким образом, все стержни оказываются замкнутыми с двух сторон накоротко. Если представить себе отдельно обмотку такого ротора, то она по внешнему виду будет напоминать «беличье колесо». В настоящее время у всех двигателей мощностью до 100 кВт «беличье колесо» делается из алюминия путем заливки его под давлением в пазы ротора. Вал 6 вращается в подшипниках, закрепленных в подшипниковых щитах 7 и 8. Щиты при помощи болтов крепятся к корпусу двигателя. На один конец вала ротора насаживается шкив для передачи вращения рабочим машинам или станкам.
Устройство статора асинхронного двигателя с фазным ротором и его обмотка не отличаются от устройства статора двигателя с короткозамкнутым ротором. Различие между этими электродвигателями заключается в устройстве ротора.

64.Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Пуск двигателя в ход. При прямом включении обмоток статора асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором в сетьнаблюдается большой скачок тока, в 6-8 раз превышающий его номинальный ток. Это вызывает заметную перегрузку в электрической сети, от которой осуществляется питание двигателя и других близлежащих потребителей.

Для ограничения пускового тока при пуске двигателя с короткозамкнутым ротором применяют 3 способа:

1 способ - переключение обмотки статора со схемы звезда на схему треугольник. Этот способ применим для двигателей, у которых обмотка статора при нормальной работе соединена треугольником.

обмотка статора посредством переключающего устройства соединяется по схеме звезда, а после запуска - по схеме треугольник. При этом линейный пусковой ток двигателя уменьшается в 3 раза.

2 способ - пуск посредством автотрансформатора, позволяющий понижать подводимое к двигателю напряжение во время пуска, вследствие чего уменьшается пусковой ток.

3 способ – применение специальных электронных устройств – устройств плавного пуска и частотных преобразователей.

Недостаток первых двух методов - уменьшение пускового напряжения и, как следствие, пускового момента.

65.Пуск асинхронного двигателя с фазным ротором.

При пуске асинхронного двигателя с фазным ротором, в цепь ротора включается добавочное активное сопротивление – пусковой реостат. Пусковой реостат имеет несколько ступеней и рассчитан на кратковременные протекания тока. При включении активного сопротивления в цепь ротора уменьшается начальный пусковой ток и увеличивается начальный пусковой момент. Пуск двигателя с фазным ротором состоит из четырёх ступеней. В начальный момент пуска, пусковой момент равен максимальному значению. По мере разгона двигателя его момент уменьшается до минимального значения. Потом снова при разгоне увеличивается и достигает максимального значения. Как только пусковой момент достиг максимума, пусковой реостат переводят во вторую ступень и сопротивление реостата уменьшается. Как только момент опять достигнет максимума, пусковой реостат переключают на третью и четвёртую ступень. После того как электромагнитный момент двигателя уменьшиться до значения равного противодействующему значению на валу, частота вращения ротора достигнет установившегося значения и процесс пуска двигателя будет закончен. Таким образом в течении всего процесса пуска двигателя значение пускового момента остаётся приблизительно постоянным. Но следует помнить, что при слишком быстром переключении ступеней пускового реостата, пусковой ток может достигнуть недопустимо больших значений. В асинхронных двигателях которые работают через винтовой компрессор с фазным ротором развивается большой пусковой момент при сравнительно небольшом пусковом токе, всего в два три раза превышающем номинальный ток двигателя. Недостаток пусковых свойств асинхронного двигателя с фазным ротором – это сложность пусковой аппаратуры, продолжительность пуска и неэкономичность. Поэтому из-за своей сложности и большой стоимости двигатели с фазным ротором применяют лишь в тех случаях, где необходимо регулировать скорость механизма: краны, лифты, шахтные подъёмники, некоторые виды конвейеров.

66.Уравнения электрического состояния обмоток статора и ротора асинхронного двигателя.

67.Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя.

Процесс преобразования электрической энергии, подведенной к двигателю из сети, в механическую, снимаемую с вала машины, сопровождается потерями.

Наглядное представление о распределении подведенной к двигателю мощности дает энергетическая диаграмма (рисунок 2.8).

68.Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронных двигателей

Момент, развиваемый двигателем равен электромагнитной мощности, деленной на синхронную скорость вращения электропривода.

M = P_эм/ω₀

Электромагнитная мощность – это мощность, передаваемая через воздушный зазор от статора к ротору, и она равна потерям в роторе, которые определяются по формуле:

P_эм = m • I₂² • (r₂’/s)

m – число фаз.

M = M_эм = (Pm/ω₀) • (I₂’)² • (r₂’/s)

Электромеханической характеристикой асинхронного двигателя является зависимость I2’ от скольжения. Но так как асинхронная машина работает только в качестве электродвигателя, основной характеристикой является механическая характеристика.

M = Mэ_м = (Pm/ω₀) • (I₂’)² • (r₂’/s) – упрощенное выражение механической характеристики.

Подставив в это выражение значение тока, получим:
M = [P•3•U_ф²•(r₂’/s)] / [ω₀•[(r₁ + r₂’/s)² + (x₁ + x₂’)²]]

Будем считать, что m=3.

Ω = ω₀/p

Вместо ω₀ нужно подставить механическую скорость, в результате чего число пар полюсов сокращается.

M = [3•U_ф²•(r₂’/s)] / [ω₀•[(r₁ + r₂’/s)² + (x₁ + x₂’)²]] – это уравнение механической характеристики асинхронного двигателя.

При переходе асинхронного двигателя в генераторный режим, скорость вращения ω > ω₀ и скольжение становится отрицательным (s Когда скольжение изменяется от 0 до +∞, режим называется «режимом электромагнитного тормоза».

Задаваясь значениями скольжения от о до +∞, получим характеристику:

Полная механическая характеристика асинхронного двигателя.

Как видно из механической характеристики, она имеет два экстремума: один на отрезке изменения скольжения на участке от 0 до +∞, другой на отрезке от 0 до -∞.
dM/ds=0

M_max = [3•U_ф²•(r₂’/s)] / [2ω₀•[r₁ ± √(r₁² + (x₁ + x₂’)²)]]
+ относится к двигательному режиму.
– относится к генераторному режиму.

M_max=M_кр
M_кр – критический момент.

Скольжение, при котором момент достигает максимума, называется критическим скольжением, и оно определяется по формуле:
s_кр = ±[r₂’/(x₁+x₂’)]

Критическое скольжение имеет одинаковое значение и в двигательном и в генераторном режимах.

Величину M_кр можно получить, подставив в формулу момента значение критического скольжения.

Момент при скольжении равном 1 называется пусковым моментом. Выражение для пускового момента можно получить, подставив 1 в формулу:

M_п = [3•U_ф²•r₂’] / [ω₀•[(r₁ + r₂’)² + (x₁ + x₂’)²]]

Поскольку знаменатель в формуле момента максимального на несколько порядков больше U_ф, принято считать M_кр≡U_ф².

Критическое скольжение зависит от величины активного сопротивления обмотки ротора R₂’. Момент пусковой, как видно из формулы, зависит от активного сопротивления ротора r₂’. это свойство пускового момента используется в асинхронных двигателях с фазным ротором, у которых пусковой момент увеличивают путем введения активного сопротивления в цепь ротора.

69.Естественная и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя. Построение механической характеристики двигателя по каталожным данным.

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу n = f (M2). Так как при нагрузке момент холостого хода мал, то M2 ≈ M и механическая характеристика представляется зависимостью n = f (M). Если учесть взаимосвязь s = (n1 - n) / n1, то механическую характеристику можно получить, представив ее графическую зависимость в координатах n и М (рис. 1).

Рис. 1. Механическая характеристика асинхронного двигателя

Естественная механическая характеристика асинхронного двигателя соответствует основной (паспортной) схеме его включения и номинальным параметрам питающего напряжения. Искусственные характеристикиполучаются, если включены какие-либо дополнительные элементы: резисторы, реакторы, конденсаторы. При питании двигателя не номинальным напряжением характеристики также отличаются от естественной механической характеристики.

Механические характеристики являются очень удобным и полезным инструментом при анализе статических и динамических режимов электропривода.

Характеристика асинхронного двигателя естественна при

U_дв = U_н, отсутствии добавочного сопротивления в цепи ротора и статора и при частоте источника питания, равной номинальной

частоте двигателя.

Естественную механическую характеристику по каталожным данным строят при расчетах переходных процессов электропри­водa, определении: частоты вращения регулируемого двигателя, т.е. в тех случаях, когда нужно точно знать частоту вращения и момент [18].

Исходные данные берут из таблички на щитке двигателя или из каталога (5): номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальная частота вращения n_н. , или значение номинального скольжения s_н (обычно в процентах); кратность критического момента М_к/М_н, для двигателей серии 4А ее обозначают μ_к; кратность пускового момента М_п/М_н обозначают μ_п; кратность минимального момента М_min/М_н - μ_min; критическое скольжение –

Естественную механическую характеристику АД строят по пяти точкам с соответствующими координатами:

Первая точка - синхронная угловая скорость ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30 , где f - частота питающей сети; n_о = 60f/р; p – число пар полюсов (определяется из типоразмера электродвигателя). В каталожных данных при f = 50 Гц синхронная частота вращения двигателя = 3000, 1500, 1000, 750, 600, 500 и т.д. . Момент двигателя при ω_о равен нулю, т.е. эта точка лежит на оси ординат – частоты вращения;

Вторая точка – номинальные: частота вращения ω_н = πn_н/30 или (1- s_н), и момент М_н = Р_н • 10^-3/ ω_н, Н•м.

Третья точка – критические: момент и угловая скорость ω_к = ω_о(1 - s_к).

Если значение критического скольжения не приводится в справочной литературе, его определяют по формуле:

Четвертая точка – минимальные: момент М_м = М_н скорость

ω_м = ω_о(1 - s_м), s_m= 6/7 для всех двигателей:

Пятая точка - пусковой момент М_п = М_н , ω_о = 0.

Для более точного построения механической характеристики в области критического скольжения необходимо взять несколько промежуточных точек и определить значения момента по (4.20).

Рис. 4.3. Построение естественной механической характеристики

асинхронного двигателя.

Соединив плавной линией рассчитанные точки, получим график механической характеристики асинхронного двигателя (рис.4.3). На этой же рисунке пунктиром приведен график ме­ханической характеристики, построенной по уравнению (4.19).

Естественная электромеханическая характеристика асинхрон­ного двигателя I = f(ω) нужна при построении нагрузочных диаг­рамм для проверки двигателя на нагрев.

Рис.4.4. Построение естественной электромеханической

характеристики асинхронного двигателя.

Исходные данные можно взять из таблички двигателя и каталога: номинальная мощность двигателя Р_н, кВт; номинальное линейное напряжение двигателя U_н, B; номинальные коэффициенты: полезного действия η_н и мощности cosφ; кратность пускового тока 1_п; номинальное и критическое скольжение s_н, s_к. Естественную электромеханическую характеристику строят по четырем характерным точкам:

Первая точка имеет координаты :синхронная угловая скорость

ω_о = 2πf/р или ω_о = πn_о/30 и ток статора, соответствующий ω_о (ток намагничивания) :

I_c = I _н(sinφ_н - cosφ_н/2 _к), (4.30)

где _к - кратность критического момента ;

Вторая точка соответствует номинальным значениям:

I_н = P_н • 10³/( • U_н • η_н • cosφ_н); ω_{н =} ω_о(1 - s_н);

Третья точка соответствует критическому скольжению дви­гателя:

ω_{к =} ω_о(1 - s_к); I_к = (0,7…0,8)I_пуск

Четвертая точка - пусковая: I_пуск = I_н • i_п; ω = 0

70.Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя.

Регулирование частоты вращения двигателей определяется в соответствии с требованиями технологических процессов и тех производственных механизмов, в которых они используются. Оно характеризуется следующими основными показателями:

Диапазон регулирования Д(предел изменения частоты вращения). Под этой величиной понимается отношение максимальной частоты вращения двигателя п_макс к его минимальной частоте п_мин :

(52)

Д= п_макс /п_мин.

Плавность регулирования, которая характеризуется минимальным скачком частоты вращения двигателя при переходе с одной механической характеристики на другую.

Направление возможного изменения частоты вращения двигателя (зона регулирования). При номинальных условиях работы (напряжении и частоте питающей сети) двигатель имеет естественную механическую характеристику. При регулировании частоты вращения соответствующие им характеристики будут отличаться от естественной. Эти характеристики носят название искусственных. Таким образом, асинхронный двигатель помимо естественной может иметь множество искусственных (регулировочных) характеристик. С помощью одних методов регулирования удается получить искусственные характеристики, располагающиеся только ниже естественной. Другие методы обеспечивают регулирование частоты вращения выше и ниже естественной характеристики.

Экономичность регулирования определяется по дополнительным капитальным затратам, необходимым при создании регулировочных устройств, а также по потерям электроэнергии при регулировании.

Допустимая нагрузка двигателя при работе его на регулировочных характеристиках ограничивается величинами токов в статорной и роторных цепях. Эта нагрузка определяется допустимым нагревом двигателя и во многом определяется механическими характеристиками производственных механизмов, моментом сопротивления на валу, условиями нормального пуска двигателя и др.

71. Устройство и принцип действия машины постоянного тока в режиме генератора и двигателя

Вращающаяся часть машины состоит из укрепленных на валу цилиндрического якоря 2 и коллектора3. Якорь состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, и обмотки, укрепленной на сердечнике якоря. Обмотка якоря в показанной на рисунке 1 и рисунке 2 простейшей машине имеет один виток. Концы витка соединены с изолированными от вала медными пластинами коллектора, число которых в рассматриваемом случае равно двум. На коллектор наложены две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря соединяется с внешней цепью.

Основной магнитный поток в нормальных машинах постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на сердечниках полюсов и питается постоянным током. Магнитный поток проходит от северного полюса N через якорь к южному полюсу S и от него через ярмо снова к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовляются из ферромагнитных материалов.

Предположим, что якорь машины (рисунки 1 и 2, а) приводится во вращение по часовой стрелке. Тогда в проводниках обмотки якоря индуктируется э. д. с., направление которой может быть определено по правилу правой руки (рисунок 3, а) и показано на рисунках 1 и 2, а. Поскольку поток полюсов предполагается неизменным, то эта э. д. с. индуктируется только вследствие вращения якоря и называется э. д. с. вращения.

Рисунок 3. Правила правой (а) и левой (б) руки

Значения индуктируемой в проводнике обмотки якоря э. д. с.

e_пр = B×l×v,

где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсом и якорем в месте расположения проводника; l – активная длина проводника, то есть та длина, на протяжении которой он расположен в магнитном поле; v – линейная скорость движения проводника.

В обоих проводниках вследствие симметрии индуктируются одинаковые э. д. с., которые по контуру витка складываются, и поэтому полная э. д. с. якоря рассматриваемой машины

Э. д. с. E_а является переменной, так как проводники обмотки якоря проходят попеременно под северным и южным полюсами, в результате чего направление э. д. с. в проводниках меняется. По форме кривая э. д. с. проводника в зависимости от времени t повторяет кривую распределения индукции B вдоль воздушного зазора (рисунок 4, а).

Частота э. д. с. f в двухполюсной машине равна скорости вращения якоря n, выраженной в оборотах в секунду:

f = n,

а в общем случае, когда машина имеет p пар полюсов с чередующейся полярностью,

Если обмотка якоря с помощью щеток замкнута через внешнюю цепь, то в этой цепи, а также в обмотке якоря возникает ток I_а. В обмотке якоря этот ток будет переменным, и кривая его по форме аналогична кривой э. д. с. (рисунок 4, а). Однако во внешней цепи направление тока будет постоянным, что объясняется действием коллектора. Действительно, при повороте якоря и коллектора (рисунок 1) на 90° и изменении направления э. д. с. в проводниках одновременно происходит также смена коллекторных пластин под щетками. Вследствие этого под верхней щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под нижней щеткой – пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате этого полярность щеток и направление тока во внешней цепи остаются неизменными.

72.Формула ЭДС обмотки якоря и электромагнитного момента двигателя постоянного тока.

Как было показано ранее, ЭДС проводника обмотки якоря определяется по формуле е_пр = Blv.

При вращении якоря ЭДС е_пр изменяется в соответствии с графиком, приведенным на рис. 9.2,б. Среднее значение ЭДС проводника е_пр,ср при его перемещении в пределах полюсного деления можно определить через среднее значение магнитной индукции (см. рис. 9,2 б):
е_пр,ср = B_cplv.

Если обмотка якоря имеет Nпроводников и 2апараллельных ветвей, то число последовательно соединенных проводников в каждой параллельной ветви будет N/2a.Тогда среднее значение ЭДС машины

(9,4)

Среднее значение магнитной индукции

(9,5)

где Ф — магнитный поток одного полюса, Вб; D_я — диаметр якоря, м; 2р —число полюсов машины.

Величина πD_яl/2pв (9.5) представляет собой поверхность сердечника якоря, приходящуюся на один полюс.Линейную скорость проводников vможно определить по формуле

(9,6)

где n— частота вращения якоря, об/мин.

После замены в (9.4) магнитной индукции В_ср и скорости vсогласно (9.5) и (9.6) получим

(9.7)

Как видно, ЭДС прямо пропорциональна произведению магнитного потока на частоту вращения. По формуле (9.7) можно определять как ЭДС генераторов, так и ЭДС двигателей.

Электромагнитная сила в ньютонах, действующая на проводник обмотки якоря, определяется соотношением

F_пр = BlI_пр = BlI_я /2a,

где Iпр — ток проводника, равный току параллельной ветви, А; I_я — ток якоря, А.

При вращении якоря сила, действующая на проводник, изменяется.

Среднее значение силы можно определить через среднее значение магнитной индукции:

F_{пр, ср} = B_cplI_я/2a.

Средний электромагнитный момент, Н•м, действующий на якорь,

(9.8)

После замены в (9.8) магнитной индукции В_ср согласно (9.5) получим

(9.9)

Как видно, момент электромагнитный прямо пропорционален произведению магнитного потока на ток якоря. По формуле (9.9) можно определять как момент генераторов, так и момент двигателей.

Если момент выражен в ньютоно-метрах, то между коэффициентами k_е и k_M существует следующее соотношение:

(9.10)

k_е /k_M ≈0,105.

Электромагнитный момент М_эм, вызванный взаимодействием магнитного потока и тока якоря и определяемый по формуле (9.9), отличается от момента М,развиваемого машиной на валу, вследствие трения в подшипниках, вращающегося якоря о воздух и вентиляционных потерь. Так как указанные два момента отличаются незначительно, будем в дальнейшем считать их равными и обозначать М.

73.Двигатели постоянного тока. Способы возбуждения. Пуск двигателя. Механические и рабочие характеристики двигателя.

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) — электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Работа и свойства электрических машин постоянного тока (как генераторов, так и двигателей) в значительной степени зависят от способа возбуждения в них магнитного потока. Действительно, магнитный поток входит множителем как в выражение ЭДС, так и в выражение электромагнитного момента, поэтому необходимо знать, как создается магнитный поток, от каких величин он зависит, как и для какой цели нужно изменять его значение.
Согласно ГОСТов, по способу возбуждения машины постоянного тока классифицируют следующим образом:
а) машины независимого возбуждения, обмотка возбуждения которых питается от постороннего источника электрического тока;
б) машины параллельного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена параллельно с цепью якоря;
в) машины последовательного возбуждения, обмотка возбуждения которых соединена последовательно с цепью якоря;
г) машины смешанного возбуждения, у которых имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена последовательно с цепью якоря (другая — может быть либо независимой, либо, чаще, параллельной). Если МДС обмоток возбуждения имеют одно направление, то такое их включение называется согласным. Если же МДС обмоток направлены в разные стороны, то включение называется встречным.
Схемы всех четырех типов машин показаны соответственно на рис. 1.
Все эти электрические машины имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения (ОВ). Обмотки независимого и параллельного возбуждения изготавливают с большим числом витков, из провода малого сечения, а обмотку последовательного возбуждения — с малым числом витков из провода большого сечения.
Существуют также машины небольшой мощности, магнитное поле у которых создается либо только постоянными магнитами, либо еще и обмотками возбуждения, питаемыми электрическим током. Свойства первых близки к свойствам машин независимого, а вторых — смешанного или независимого возбуждения (в зависимости от способа подключения обмотки возбуждения).

Способы пуска. Для двигателей постоянного тока могут быть применены три способа пуска:

1) прямой, при котором обмотка якоря подключается непо­средственно к сети;

2) реостатный, при котором в цепь якоря включается пуско­вой реостат для ограничения тока;

3) путем плавного повышения питающего напряжения, которое подается на обмотку якоря.

Прямой пуск. Обычно в двигателях постоянного тока падение напряжения I_ном ΣR_а во внутреннем сопротивлении цепи якоря составляет 5 — 10% от U_ном , поэтому при прямом пуске ток якоря I_п= U_ном /ΣR_а = (10 ÷ 20)I_ном , что создает опасность поломки вала машины и вызывает сильное искрение под щетками. Поэтому прямой пуск применяют в основном для двигателей малой мощности(до нескольких сотен ватт), в которых сопротивление ΣR_а относительно велико, и лишь в отдельных случаях для двигателей с последовательным возбуждением мощностью в несколько киловатт.

74.Регулирование частоты вращения и паспортные данные двигателей постоянного тока.

Для получения высокой производительности и требуемой точности или шероховатости обработки изделий, остановки исполнительного органа производственной машины в нужном месте с заданной степенью точности и т. д. приходится принудительно изменять частоту вращения или скорость линейного перемещения исполнительного органа. Принудительное изменение частоты вращения или линейного перемещения исполнительного органа производственной машины в соответствии с требованием производственного процесса называется регулированием скорости.

В настоящее время взамен коробок скоростей, вариаторов и т. п. все больше применяется электрическое регулирование частоты вращения, в основе которого лежит использование искусственных, механических характеристик электродвигателей. Электрическое регулирование частоты вращения приводит к упрощению, облегчению и удешевлению механической части машин и механизмов, упрощению управления, возможности получения плавного регулирования частоты вращения в широком диапазоне.

Для регулирования частоты вращения путем изменения сопротивления цепи якоря обычно используют тот же реостат, что и для пуска двигателя. Например, с помощью реостата, для которого на 9.27 изображены механические характеристики, при моменте М= М_с можно получить частоты вращения n₄, n₅ и n₆. В том случае, когда необходимо иметь и другие частоты вращения, реостат снабжают дополнительными ступенями сопротивлений. Реостат, используемый как для пуска, так и для регулирования частоты вращения, находится в отношении нагревания в более тяжелых условиях, чем реостат, служащий только для пуска.

75.Понятие о генераторах постоянного тока. Генераторы постоянного тока с самовозбуждением.

Свойства генераторов постоянного тока обусловлены в основном способом питания обмотки возбуждения. В зависимости от этого различают следующие типы генераторов:

1) с независимым возбуждением — обмотка возбуждения получает питание от постороннего источника постоянного тока;

2) с параллельным возбуждением — обмотка возбуждения подключена к обмотке якоря параллельно нагрузке;

3) с последовательным возбуждением — обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря и нагрузкой;

4) со смешанным возбуждением — имеются две обмотки возбуждения: одна подключена параллельно нагрузке, а другая — последовательно с ней.

Генераторы рассматриваемых типов имеют одинаковое устройство и отличаются лишь выполнением обмотки возбуждения. Обмотки независимого и параллельного возбуждения, имеющие большое число витков, изготовляют из провода малого сечения; обмотку последовательного возбуждения, имеющую небольшое число витков,— из провода большого сечения. Генераторы малой мощности иногда выполняют с постоянными магнитами. Свойства таких генераторов близки к свойствам генераторов с независимым возбуждением.

К генераторам с самовозбуждением относятся генераторы параллельного возбуждения, генераторы последовательного возбуждения и генераторы смешанного возбуждения.

Для того чтобы на зажимах генератора с самовозбуждением появилось напряжение, необходимо выполнить ряд условий самовозбуждения. Рассмотрим ряд условий самовозбуждения на примере генератора с параллельным возбуждением.

Для того чтобы на зажимах генератора параллельного возбуждения появилось напряжение, нужно привести генератор во вращение от постороннего источника механической энергии. При этом должны быть выполнены следующие условия:

1. Генератор должен обладать остаточным магнетизмом. В этом случае на зажимах якоря генератора появится напряжение. Появившееся напряжение остаточного магнетизма прикладывается к обмотке генератора, по ней начинает протекать ток, и в обмотке возбуждения создается магнитный поток.

2. Магнитный поток обмотки возбуждения должен быть направлен согласно с потоком остаточного магнетизма, т.е. потоки должны складываться. Два потока, сложившись, приводят к увеличению напряжения на якоре генератора, которое прикладывается к обмотке возбуждения, вызывает увеличения магнитного потока и дальнейшее увеличение напряжения на генераторе.

Возбуждение генератора проходит по характеристике холостого хода.

Если магнитные потоки обмотки возбуждения и остаточного магнетизма будут направлены встречно, произойдет размагничивание машины и включение ее будет невозможно. Чтобы этого не произошло, на корпусе генератора параллельного возбуждения или смешанного возбуждения отливается стрелка, показывающая в какую сторону должен вращаться якорь, чтобы не произошло размагничивание.

Увеличение напряжения на генераторе с параллельным возбуждением будет происходить, пока характеристика цепи возбуждения R_вi_в не пересечется с характеристикой холостого хода. Эти характеристики должны пересекаться на нелинейной части характеристики холостого хода. Угол наклона α зависит от величины сопротивления цепи возбуждения. Если сопротивление R_в цепи возбуждения будет большим, точка пересечения характеристик перейдет в область насыщения, и генератор не будет регулироваться. Если сопротивление будет мало, то характеристика цепи возбуждения может стать касательной к характеристике холостого хода, тогда машина не будет возбуждаться.