"Электрические машины"

Департамент образования и науки Брянской области

Дятьковский филиал государственного автономного профессионального

образовательного учреждения «Брянский техникум энергомашиностроения и радиоэлектроники имени Героя Советского Союза М.А. Афанасьева»

                          МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

по предмету:

Электрические машины

по специальности: 15.02.07 « Автоматизация технологических процессов и производств»

         

Введение

Методическое пособие предназначено для учащихся техникумов- будущих специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств.

Учебная дисциплина « Электрические машины» является одной из основополагающих в общей системе подготовки студентов. Целью изучения дисциплины является получение теоретических и практических знаний о процессах электромеханического преобразования энергии. Предметом изучения является электрическая машина, представляющая собой основное звено в современных электротехнических установках. Изучение электрической машины дает полное и четкое представление об объекте автоматизации, ее рабочих характеристик, регулировочных свойствах

Студенты, успешно освоившие эту дисциплину должны:

Знать:

-- основные законы и процессы электромеханического преобразования энергии;

-- возможные режимы работы электрических машин;

-- физическую сущность процессов, определяющих установившийся режим работы электрических машин и трансформаторов;

-- устройства обмоток электрических машин;

-- способы подключения генераторов и способы пуска электродвигателей.

Уметь:

--описывать уравнениями равновесия исследуемый установившийся режим работы эл. машины;

-- строить векторные диаграммы напряженийи токов;

-- пускать в ход двигатели постоянного и переменного тока

-- выбирать электрические машины и трансформаторы для конкретных условий эксплуатации;

--составлять развернутые схемы укладки обмоток электрических машин постоянного и переменного тока.

Назначение электрических машин.

Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току и частоте.

Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются генераторами.

Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением.

Раздел №1Трансформаторы

В этот раздел входят следующие темы:

Тема 1.1 Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

Тема 1.2 Трехфазный трансформатор.

Тема 1.3 Автотрансформаторы.

Тема 1.4 Измерительные трансформаторы.

Введение Назначение и области применениятрансформаторов.

Трансформаторы- это наиболее распространенные устройства в современной электротехнике.

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно-связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Трансформаторы широко используются в промышленности и быту для различных целей.

1. Для передачи и распределения электрической энергии.

Обычно на электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении 6-24 кВ, а передавать электроэнергию на дальние расстояния выгодно при значительно больших напряжениях (110, 220, 330, 400, 500, и 750 кВ). Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения.

Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населёнными пунктами, в городах и сельских местностях, а также внутри промышленных предприятий производится по воздушным и кабельным линиям, при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех распределительных узлах должны быть установлены трансформаторы, понижающие напряжение до величины 220, 380 и 660 В (рис. 1.1)
2. Для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжения на выходе и входе преобразователя. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются преобразовательными.

3. Для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.

4. Для питания различных цепей радиоаппаратуры, электронной аппаратуры, устройств связи и автоматики, электробытовых приборов, для разделения электрических цепей различных элементов указанных устройств, для согласования напряжения и пр.

.5. Для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности. Трансформаторы, применяемые для этих целей, называются измерительными.

Классификацию трансформаторов можно произвести по нескольким признакам:

1. По назначению

трансформаторы разделяют на силовые общего и специального применения. Силовые трансформаторы общего применения используются в линиях передачи и распределения электроэнергии. Для режима их работы характерна частота переменного тока 50 Гц и очень малые отклонения первичного и вторичного напряжений от номинальных значений. К трансформаторам специального назначения относятся силовые специальные (печные, выпрямительные, сварочные, радиотрансформаторы), измерительные и испытательные трансформаторы, трансформаторы для преобразования числа фаз, формы кривой ЭДС, частоты и т.д.

2. По виду охлаждения – с воздушным (сухие трансформаторы) и масляным (масляные трансформаторы) охлаждением.

3. По числу фаз на первичной стороне – однофазные и трёхфазные.

4. По форме магнитопровода– стержневые, броневые,.

Форма магнитопроводов трансформаторов

5. По числу обмоток на фазу – двухобмоточные, трёхобмоточные, многообмоточные (более трёх обмоток).

Тема 1.1Устройство и принцип действия однофазного трансформатора.

Устройство однофазного трансформатора

Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рис. 1.2), размещенных на замкнутом магнитопроводе ( сердечнике), который выполнен из ферромагнитного материала.

Сердечник состоит из тонких пластин (0,3-0,5мм.) электротехнической стали. Пластины изолированы друг от друга лаком ,это необходимо для того, чтобы возникающие вихревые токи не нагревали сердечник. Электротехническая сталь нужна для того, чтобы не было остаточного магнетизма во время работы трансформатора. Если  изготовить сердечник  из обычной стали, он в процессе работы намагнитится, магнитное поле станет постоянным   и не будет происходить  электромагнитная  индукция, трансформатор не работает.

Обмотку более высокого напряжения называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначают буквами А и Х; обмотки НН – буквами а и х.

Электромагнитная схема однофазного трансформатора

Следовательно, отношение действующих ЭДС в обмотках определяется выражением

(1.1)

E₁ / E₂ = = w₁ / w₂ .пренебречь падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые обычно не превышают 3-5 % от номинальных значений U₁ и U₂, и считать E₁≈U₁ и E₂≈U₂, то получим

(1.2)

U₁ / U₂ ≈ w₁ / w₂ .

Следовательно, подбирая соответствующим образом числа витков обмоток, при заданном напряжении U₁ можно получить желаемое напряжение U₂. Если необходимо повысить вторичное напряжение, то число витков w₂ берут больше числа w₁; такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U₂, то число витков w₂ берут меньшим w₁; такой трансформатор называют понижающим.

Отношение ЭДС E_вн обмотки высшего напряжения к ЭДС Е_нн обмотки низшего напряжения (или отношение их чисел витков) называют коэффициентом трансформации

(1.3)

В трансформаторе преобразуются только напряжения и токи. Мощность же остаётся приблизительно постоянной (она несколько уменьшается из-за внутренних потерь энергии в трансформаторе). Следовательно, полная мощность потребляемая из сети равна:

Р= U_{1 *}I₁ ,

Отсюда следуют соотношения между токами и напряжениями на первичной и вторичной обмотках трансформатора.

(1.4)

U₁ / U₂ = I₂ / I₁ = w₁ / w₂ = к .

При уменьшении вторичного напряжения в n раз по сравнению с первичным, ток i₂ во вторичной обмотке соответственно увеличится в n раз.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока.

Принцип работы трансформатора

Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику тока, то в его магнитопроводе образуется магнитный поток, постоянный во времени по величине и направлению.При подключении к сети в первичной обмотке возникает переменный ток, который создаёт переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу. Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС – E₁ и E₂ пропорциональные, согласно закону Максвелла, числам витков w₁ и w₂ соответствующей обмотки и скорости изменения потока dФ/dt.

где: Р₁ – мощность, потребляемая трансформатором от источника переменного тока, Вт;
– мощность, потребляемая нагрузкой с сопротивлением R от трансформатора.

Для уменьшения потерь от вихревых токов, магнитопроводы трансформаторов собирают из изолированных листов электротехнической стали толщиной 0,28-0,5 мм при частоте 50 Гц.Сердечник состоит из тонких пластин (0,3-0,5мм.) электротехнической стали. Пластины изолированы друг от друга лаком , они необходимы для того, чтобы возникающие вихревые токи не нагревали сердечник.

Потери в трансформаторе.

1.На нагрев обмоток зависит от нагрузки натрансформатора, чем больше нагрузка, больше потери. Это происходит за счет активных токов. Для понижения  применяются обмотки из медного провода.

2.Потери в железе на вихревые токи и гистерезис возникают в проводниках находящихся в переменном магнитном поле (токи Фуко) и в самом сердечнике, где  вихревые токи замыкаются, нагревают сердечник и приводят к потерям. Для уменьшения их сердечник набирают из отдельных изолированных пластин. Эти потери постоянны и не зависят от нагрузки.

                 

                                       Режимы работы трансформатора .

Режим холостого хода  - вторичная обмотка работает без нагрузки (разомкнута) магнитный поток в сердечнике создает в первичной обмотке ЭДС самоиндукции, которая уравновешивает большую часть приложенного напряжения. На холостом ходу потери мощности происходят в результате потерь в стали сердечника.

Данный режим характеризуется разомкнутой вторичной цепью трансформатора, вследствие чего в ней ток не течет. С помощью опыта холостого хода можно определить КПД трансформатора, коэффициент трансформации, а также потери в сердечнике.

При холостом ходе трансформатор не совершает полез ной работы, его к. п. д. равен нулю. Активная мощность которую при этом показывают ваттметры W1 и W2 цели ком рассеивается в виде тепла, идущего на нагрев магнитопровода и первичной обмотки трансформатора.

3.Режим  короткого замыкания  возникает при замыкании вторичной обмотки медным проводом. Все потери  при этом происходят в медных проводах  обмоток.

Такой режим при номинальном или близком к номинальному напряжении питания является аварийным и может привести к разрушению трансформатора, но при пониженном напряжении его исполь-зуют для определения параметров обмоток. В этом случае он называется опытом короткого замыкания и является, наряду с опытом холостого хода, обязательным при испытаниях трансформатора. В опыте короткого за-мыкания на первичную об- мотку трансформатора по- дают напряжение , при котором ток в ней равен номинальному значению U1к 1к 1ном I = I . Это напряжение составляет 5…10% от номинального, поэтому при- мерно во столько же раз снижается основной магнитный поток, а намагничивающий ток, вследствие выхода материала сердечника из режима насыщения снижается практически до нуля . Отношение напряжение на первичной обмотке в опыте короткого замыкания к номинальному значению, выраженное в процентах, u UU к%/ 1 = ( 1к 1ном )⋅ 00 (9.9) называется напряжением короткого замыкания и указывается в справочных данных.

Тема 1.2 Трехфазные трансформаторы.

Применяются в цепях трехфазного переменного тока. Фактически это три однофазных трансформатора, которые могут соединяться  «звездой» или треугольником. Все трансформаторы расположены на одном сердечнике.

Обычно обмотки высокого напряжения соединяются «звездой»  ,

- при этом

проще изоляция

- фазное напряжение меньше линейного

- меньше витков в обмотках.

Обмотки низкого напряжения соединяются «треугольником»

- нечувствительны к неравномерности нагрузки

- не требуется нулевой провод

                            Принцип работы         

Для уменьшения излучения в любой момент времени сумма напряжений всех трех фаз равна 0 (e_a+e_b+e_c=0). Для этого синусоидальное напряжение в каждом проводе сдвинуто относительно соседнего по фазе на 120° При этом существует два варианта передачи энергии — черырехпроводная и трехпроводная линия передачи. Схемы включения фаз для этих вариантов приведены на рисунке 1,

Рисунок 1 Трехпроводная и четырехпроводная линии передачи трехфазного напряжения

В четырехпроводной линии потребителю может быть выдано либо фазное напряжение 220 В, либо линейное напряжение 380 В. В трехпроводной схеме присутствуют только линейные напряжения. Для понимания формирования линейного напряжения удобно воспользоваться векторной диаграммой напряжений фаз, приведенной на рисунке 2. На этом же рисунке показаны временные диаграммы напряжения всех трех фаз.

Рисунок 2 Временная диаграмма (а) и векторная диаграмма (б) трёхфазного напряжения

На временной диаграмме Т — это период частоты 50 Гц, U — напряжение одной фазы 220 B. Мгновенные значения напряжений фаз A, B, и C можно записать следующим образом:

            (1)

За положительное чередование фаз условились считать увеличение фазы по часовой стрелке. Обмотки в трёхфазных трансформаторах можно соединить тремя способами: звездой Y, треугольником Δ и зигзагом Z. Из них наиболее распространенными схемами являются соединение звездой и треугольником. На рисунке 3 приведена схема соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки. При этом и источник и нагрузка соединены звездой (схема звезда-звезда).

Рисунок 3 Схема соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки звездой

На приведенном рисунке U_A, U_B, U_C, вырабатываемые вторичными обмотками трансформатора — это фазные напряжения. Проводники, идущие от фазных обмоток к нагрузке называют линейными проводами. Однако напряжение существует не только между нулевым проводом и линейным. Оно существует и между двумя линейными проводниками. Это напряжение получило название линейного, например, U_AC или U_CA. Линейное напряжение больше фазного. Конкретное значение линейного напряжения можно определить из рисунка 2б. Оно больше фазного в раз, т.к. является векторной разностью фазных напряжений. Поэтому от трехфазной линии электропередач можно получить как 220В, так и 380В, в зависимости от схемы включения нагрузки.

В приведенной на рисунке 3 схеме линейный ток равен фазному. Обратите внимание, что наличие нулевого провода для нормального функционирования линии передачи необязательно. В случае симметричной нагрузки (токи I_A, I_B, I_C равны) ток по нулевому проводу не протекает.

Теперь рассмотрим схему соединения источника трехфазного напряжения и нагрузки треугольником. Она приведена на рисунке 4.

Рисунок 4 Схема соединения источника и нагрузки треугольником

При таком соединении вторичных обмоток трехфазного трансформатора линейные напряжения будут соответствовать фазным для соединения звездой (220В), а при одинаковой потребляемой мощности линейные токи будут больше в раз, так как для них сложится ситуация, подобная приведенной на рисунке 2.

            (2)

Мощность, передаваемая в трёхфазной цепи, не зависит от схемы соединения и складывается из мощностей потребления каждой фазы.

-- Активной мощности: P = P_A + P_B + P_C = 3P_Ф

-- Реактивной мощности: Q = Q_A + Q_B + Q_C = 3Q_Ф

-- Полной мощности:             (3)

Теперь рассмотрим линейные токи и напряжения. Так, при соединении звездой получаем:

            (4)

При соединении треугольником:

            (5)

То есть, действительно не зависит от схемы соединения.

Трансформацию трёхфазного напряжения можно осуществлять двумя способами:

• тремя отдельными однофазными трансформаторами, как показано на рисунке 5а. Подобную схему включения называют групповым трансформатором.

• одним трёхфазным трансформатором с общей магнитной системой. Его условно-графическое обозначение приведено на рисунке 5б

Рисунок 5 Условно-графическое обозначение группового (а) и трёхфазного (б) трансформаторов

На рисунке 5 как для первичной, так и для вторичной цепи использована схема включения звезда (звезда-звезда). Первичные обмотки трансформатора называются обмотками высшего напряжения (ВН) и обозначаются заглавными буквами, а вторичные обмотки называются обмотками низшего напряжения (НН) и обозначаются малыми буквами. Следует отметить, что как первичные, так и вторичные обмотки можно соединять и треугольником и звездой (треугольник-треугольник, звезда-треугольник, треугольник-звезда, звезда-звезда).

Коэффициент трансформации 3-х фазного трансформатора

 В трех фазных трансформаторах различают два коэффициент трансформации: коэффициент трансформации линейны э. д. с. и коэффициент транс формации фазных э. д. с.
Из опыта холостого хода (рис. 29) можно определить коэффициента трансформации по показаниям вольтметров.
Коэффициент трансформации линейныхэ.д. с.
(39)
где Е1л и Е2л — соответственно первичная и вторичная линейные э. д. с., В.

Коэффициент трансформации фазных э. д. с.
(40)
где Е1ф, Еф2 — соответственно фазные э. д. с. и напряжения первичной и вторичной обмоток, В.
Если обе обмотки трансформатора соединены одинаково, то коэффициенты трансформации фазных и линейных э.д.с. равны.
При холостом ходе трансформатора коэффициент мощности cos ф0 меньше 0,2.
Коэффициент мощности при холостом ходе можно определить по опытным данным с помощью формулы:
(41)
где Р0—мощность холостого хода, определенная с помощью ваттметров.

Практическое занятие.

Расчет однофазного трансформатора

Исходные данные:

U1 —  напряжение питающей сети, т. е. напряжение первичной обмотки (В)

U₂ —  напряжение, которое требуется получить от трансформатора для работы того или иного прибора, т. е. напряжение вторичной обмотки

I₂ — ток нагрузки трансформаторов, т. е. ток вторичной обмотки (а)

Рассчитываются:

Рисунок 1. Однофазный двухобмоточный трансформатор.

S — поперечное сечение сердечника (см²)

Wi — число витков первичной обмотки

W2 — число витков вторичной обмотки

d1  и d₂ — диаметр обмоточного провода первичной и вторичной обмоток (мм).

Порядок расчета:      

• составляется схема рассчитываемого трансформатора. Для примера берется однофазный двухобмоточный трансформатор по схеме, приведенной на рисунке 1;   

•  поперечное сечение сердечника определяется по следующей формуле:

где Р— мощность (Вт), потребляемая трансформатором из сети. Определяется она из формулы:

где Р — мощность нагрузки (Вт);

n — КПД.трансформатора, который берется равным 0,8—0,9;

• число витков обмотки, требуемое на напряжение 1 В:

•  число витков первичной обмотки:

• число витков вторичной обмотки:

где 0,05U₂-n — число, на которое надо увеличить число витков вторичной обмотки для компенсации падения напряжения в ней.

•  диаметр провода вторичной обмотки:

• диаметр провода первичной обмотки:

•  вычисляется заполнение окна трансформаторной стали обмотками; если об­мотки не помещаются, то сечение сердечника должно быть увеличено и расчет делается вновь (на увеличенное поперечное сечение сердечника).

Пример. Требуется изготовить трансформатор для питания переносных ламп на­каливания, рассчитанных на напряжение 12 В, если общий ток нагрузки будет составлять 10 А.                                                                                                                Сечение сердечника трансформатора:

Можно взять трансформаторную сталь типа Ш-32, набор 4 см (5 = 12 см'¹).

Расчетное число п: Величина 50 является средним значением, от которого можно отступать в неко­торых пределах: для трансформатора с хорошей сталью при тщательном выполнении катушек и обмоток эта величина может быть снижена до 45 и даже до 40, а при других случаях может быть увеличена до 60 и даже до 70 (если применена плохая сталь с плохой изоляцией отдельных пластин, при намотке катушек навалом или работе трансформатора без выключения в течение длительного времени).

Число витков вторичной обмотки:

Число витков первичной обмотки:

Диаметр провода вторичной обмотки: Диаметр провода первичной обмотки:

Практическое занятие

Расчет трехфазного трансформатора

Исходными данными для расчета маломощных силовых трансформаторов являются следующие величины:
– число фаз – m;
– номинальная мощность или ток вторичной обмотки – P₂ (В×А) или I₂ (А);
– номинальные напряжения – U₁ и U₂ (В);
– частота сети – f (Гц);
– коэффициент мощности нагрузки – cosφ₂.

1. Определение токов трансформатора

При определении тока первичной обмотки следует учитывать потери, а также намагничивающий ток трансформатора, относительная величина которых в маломощных силовых трансформаторах весьма значительна.

Величины токов могут быть определены по следующим формулам:

) трехфазный трансформатор:

где U₁ и U₂ – напряжения обмоток по заданию;
      P₂ – мощность вторичной обмотки по заданию;
      cosφ₂ – коэффициент мощности нагрузки по заданию;
      η – коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора, предварительно выбираемый по кривой рисунка 1.

Рисунок 1. Кривые зависимости КПД и падения напряжения маломощных трансформаторов от мощности

Так как в большинстве случаев нагрузка маломощных трансформаторов обычно активная (cosφ₂ = 1), то коэффициент мощности первичной цепи практически можно определить по формуле:

Как показывает расчет и опыт, для маломощных трансформаторов с активной нагрузкой величина отношения намагничивающего тока I_μ к активной составляющей первичного тока I_1а в среднем составляет около  = 0,4 – 0,6, поэтому коэффициент мощности первичной цепи этих трансформаторов обычно

для трехфазных стержневых трансформаторов ………

С = 0,4

Поперечное сечение ярма трансформатора стержневого типа можно принять:

S_я = (1,0 ÷ 1,2) × S_с [см²] .

Размер сторон квадратного поперечного сечения стержня (рисунки 2, 3 и 4):

Рисунок 4. Трехфазные трансформаторы с различной штамповкой пластин: а – с Ш-образными пластинами; б – с прямоугольными пластинами

2 Определение числа витков обмоток трансформатора

Числа витков первичной и вторичной обмоток однофазного трансформатора определяются из выражений

где U₁ и U₂ берутся из задания; B_с – из позиции 2; S_с – из позиции 3; ΔU – по кривой рисунка 1.

Число витков на фазу первичной и вторичной обмоток трехфазного трансформатора при соединении их звездой:

При соединении обмоток треугольником при определении E₁ или E₂ не следует применять √3.

3. Определение сечения и диаметра провода обмотки

Предварительные значения поперечных сечений проводов обмоток определяются по формулам:

где I₁ и I₂ берутся из позиции 1; j’₁ и j’₂ – из позиции 2.

Окончательные значения поперечных сечений и диаметров проводов выбираются по ближайшим данным ГОСТ:

q₁ = … мм²; d₁/d_1н = … мм; q₂ = … мм²; d₂/d_2н = … мм.

При сечении проводов q 10 мм² обмотку трансформатора следует выполнять проводом прямоугольной формы, или же при круглом проводе выполнять намотку обмотки в два-три параллельных провода.

Наибольшее применение для маломощных трансформаторов имеют провода марок ПЭЛ, ПЭТ и ПЭВ-2 с диаметрами до 1 – 2 мм и марки ПБД с диаметром свыше 1 – 2 мм.

Перечисленные марки проводов расшифровываются следующим образом:
ПЭЛ – провод эмалированный лакостойкий;
ПЭТ – провод эмалированный лакостойкий с повышенной теплостойкостью;
ПЭВ-2 – провод, изолированный высокопрочной эмалью в два слоя;
ПБД – провод, изолированный двумя слоями обмотки из хлопчатобумажной пряжи.

Полученное значение m₁ округляется до ближайшего большего целого числа.

Толщина первичной обмотки:

где γ₁ – толщина изоляционной прокладки между слоями. Изоляционные прокладки следует применять лишь при напряжении между слоями свыше 50 В. Толщина изоляционных прокладок обычно не превышает 0,03 – 0,10 мм;
      d_1н – берется из позиции 5.

Рисунок 5. Формы катушек маломощных двухобмоточных трансформаторов:
а – стержневогодвухкатушечного; б – стержневогооднокатушечного; в – броневого

Число витков вторичной обмотки в одном слое:

Полученное значение m₂ также округляется до ближайшего большего числа.

Толщина вторичной обмотки:

W₂ × q₂ × l_ω2 × 10^-5 [кг] . 4. Ток холостого хода трансформатора

Ток холостого хода трансформатора вычисляется по формуле:

где I_оа – активная составляющая тока холостого хода;
      I_μ – его реактивная составляющая или намагничивающий ток.

Активная составляющая тока холостого хода зависит от потерь в стали сердечника и в меди первичной обмотки трансформатора от тока холостого хода. Она относительно мала по сравнению с намагничивающим током и ею при расчете тока холостого хода маломощного трансформатора практически можно пренебречь.

Рисунок 6. Кривые намагничивания стали марок Э11; Э41; Э42; Э310 и Э320

      W₁ – число витков первичной обмотки из позиции 4;
      l_с' – средняя длина пути магнитного потока в стержнях трансформатора:

трехфазного трансформаторов (рисунки 3 и 4)

l_с' = H [см] ;

l_я' – средняя длина пути магнитного потока в ярмах трансформатора:

для трехфазного трансформатора

l_я' = l_я[см] ;

средняя фаза

l_я' = 0 ,

где H берется из позиции 6, l_я – из рисунков 2, 3 и 4.

Величина тока холостого хода трехфазного трансформатора определяется как среднее арифметическое из токов трех фаз.

5. Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия трансформатора при номинальной нагрузке определяется по формуле

Тема 1.3 Автотрансформатоы.

Автотрансформатор предназначен для плавного регулирования   напряжения однофазного тока. Состоит  из одной обмотки и скользящего контакта. Первичное напряжение подключается ко всей обмотке, роль вторичной обмотки играет часть обмотки, число витков её меняется при перемещении скользящего контакта, в результате меняется напряжение.                             

Применяются в цепях переменного тока с высоким напряжением и большой силой тока. С их помощью можно обычными маломощными приборами замерять высокие напряжения и тока.

Рис. 1. Лабораторный автотрансформатор. Внешний вид и устройство.

Обмотка автотрансформатора намотана на тороидальном сердечнике из электротехнической стали — 3. По верхней торцевой части обмотки вращением ручки 1 перемещается контактная щётка 2.

Эмалевая изоляция с поверхности провода обмотки, по которой происходит движение контактной щётки, удалена, поэтому при перемещении щетки происходит изменение числа витков выходной части обмотки, что приводит к изменению вторичного (выходного) напряжения.

Таким образом, электрическая схема ЛАТРа выглядит так, как показано на Рис. 2а. Часть обмотки, расположенная выше верхнего провода входного напряжения U₁ до точкиА, служит для получения выходного напряжения U₂ по величине несколько больше подводимого.

Рис. 2. Электрическая схема а) и принцип работы б) автотрансформатора.

Рассмотрев электрическую схему автотрансформатора мы уже можем сформулировать определение автотрансформатора. Оно выглядит так:

Автотрансформатор — это такой вид трансформатора, в котором помимо магнитной связи между обмотками имеется еще и электрическая связь.

В отличие от многообмоточного трансформатора, автотрансформатор имеет всего одну обмотку, часть витков которой принадлежит одновременно первичной и вторичной цепям. На Рис. 1б показана принципиальная схема автотрансформатора, в котором участок обмотки аХ — общая часть витков с током I₁₂.

Как и в двухобмоточном трансформаторе, в автотрансформаторе первичный ток I₁ и вторичный ток I₂ находятся в противофазе, то есть их векторы сдвинуты относительно друг друга на угол приблизительно равный 180°. Из этого следует, что ток I₁₂ в общей части витков аХ равен разности вторичного и первичного токов автотрансформатора.

I₁₂ = I₂ — I₁

Из полученного выражения следует, что по общей части витков обмотки автотрансформатора проходит ток I₁₂, величина которого меньше вторичного тока I₂. Если коэффициент трансформации автотрансформатора k_А = ω_AX/ω_aX немного отличается от единицы, то токи I₁ и I₂ мало отличаются друг от друга, а их разность составляет небольшую величину. Это позволяет выполнить витки проводом уменьшенного сечения.

Введем понятие проходной мощности автотрансформатора, представляющей собой всю передаваемую мощность S_пр = U₂I₂ из первичной цепи во вторичную. Кроме того, различают еще расчетную мощностьS_расч, представляющую собой мощность, передаваемую из первичной цепи во вторичную через магнитное поле. Расчетной эту мощность называют потому, что размеры и масса магнитопровода (по другому говоря — габаритная мощность сердечника) , а следовательно и всего автотрансформатора, зависят от этой мощности.

В трансформаторе вся проходная мощность является расчетной, так как между обмотками трансформатора существует лишь магнитная связь. В автотрансформаторе между первичной и вторичной цепями помимо магнитной связи существует еще и электрическая. Поэтому расчетная мощность составляет лишь часть проходной мощности, другая ее часть передается из первичной во вторичную цепь без участия магнитного поля.

В подтверждение этого разложим проходную мощность автотрансформатора S_пр = U₂I₂ на составляющие. Воспользуемся для этого выражением вторичного тока, полученным из выражения, показанного выше,

I₂ = I₁ + I₁₂

Подставив это выражение в формулу проходной мощности, получим

S_пр = U₂I₂ = U₂( I₁+ I₁₂ ) = U₂I₁ + U₂I₁₂ = S_э + S_расч, где

S_э = U₂I₁ — мощность, передаваемая из первичной цепи автотрансформатора во вторичную за счет электрической связи между этими цепями.

Таким образом, расчетная мощность в автотрансформаторе

S_расч = U₂I₁₂

составляет лишь часть проходной.

Это дает возможность для изготовления автотрансформатора использовать магнитопровод меньшего сечения, чем в трансформаторе равной мощности. При этом, за счет уменьшенного сечения сердечника, средняя длина витка обмотки также становится меньше, а следовательно, сокращается расход меди на выполнение обмотки автотрансформатора. Одновременно уменьшаются магнитные и электрические потери, а КПД автотрансформатора повышается.

Таким образом, автотрансформатор, по сравнению с трансформатором равной мощности, обладает следующими преимуществами:

• меньшим расходом активных материалов (медь и электротехническая сталь),

• более высоким КПД,

• меньшими размерами и, следовательно, меньшей стоимостью.

У автотрансформаторов большой мощности КПД достигает 99,7 %.

Указанные преимущества автотрансформатора тем значительнее, чем больше мощность S_э, а следовательно, чем меньше расчетная часть S_расч проходной мощности.

Мощность S_э, передаваемая из первичной во вторичную цепь за счет электрической связи между этими цепями, определяется выражением

S_э = U₂I₁ = U₂I₂/k_A = S_пр/k_A

То есть значение мощности S_э обратно пропорционально коэффициенту трансформации автотрансформатора k_A (Рис. 3.)

--Большие токи короткого замыкания в случаях понижающего автотрансформатора —при замыкании точек а и X (см. Рис. 2б) напряжение U₁ подводится лишь к небольшой части витков А-а, которые обладают небольшим сопротивлением короткого замыкания. В итоге ток короткого замыкания достигает чрезмерно больших значений, оказывающих на автотрансформаторы разрушающее действие. Поэтому токи короткого замыкания в автотрансформаторе должны ограничиваться сопротивлением других элементов электрической схемы, включаемых в цепь автотрансформатора.

--Электрическая связь входа и выхода автотрансформатора, что требует усиленной электрической изоляции всей обмотки.

При использовании автотрансформаторов в схемах понижения напряжения между проводами выхода автотрансформатора и землей возникает напряжение, приблизительно равное напряжению между проводами и землей на входе автотрансформатора. По этой причине, в целях обеспечения электробезопасности потребителей, нельзя применять автотрансформаторы для понижения напряжения входной сети до значений , подводимых непосредственно к потребителям.Автотрансформаторы малой мощности применяют в устройствах радио, связи и автоматики.

                     

 Тема 1.3  Измерительные трансформаторы напряжения

Измерительные трансформаторы напряжения (ТН) являются важными элементами любой высоковольтной сети. Основное назначение трансформаторов напряжения – это понижение высокого напряжения, необходимого для питания измерительных цепей, иты, автоматики и учета (далее вторичных цепей). С помощью трансформаторов напряжения осуществляется измерение напряжения в высоковольтных сетях, питание катушек реле минимального напряжения, обмоток напряжения защит, ваттметров, фазометров, счетчиков, а также контроль состояния изоляции сети. Трансформатор напряжения  понижает высокое напряжение до стандартного значения 100 или 100/v3 В. и для отделения цепей измерения и релейной защиты от первичных цепей высокого напряжения. Схема включения однофазного трансформатора напряжения показана на рис.1. первичная обмотка включена на напряжение сети U1, а к вторичной обмотке (напряжение U2) присоединены параллельно катушки измерительных приборов и реле. Трансформатор напряжения в отличие от трансформатора тока работает в режиме, близком к холостому ходу, так как сопротивление параллельных катушек приборов и реле большое, а ток, потребляемый ими, невелик. Рис.1. Схема включения трансформатора напряжения: 1 — первичная обмотка; 2 — магнитопровод; 3 — вторичная обмотка Для питания вторичных цепей трансформаторы напряжения могут устанавливаться как на шинах подстанции, так и на каждом присоединении. Прежде чем приступить к электромонтажу, следует провести осмотр ТН и проверить целостность изоляции, исправность швов армировки и уровень масла у масляных трансформаторов. При установке первичная и вторичная обмотки ТН в целях безопасности заворачиваются, поскольку случайное соприкосновении вторичной обмоток с проводами сварки, освещения и т.п. может привести к появлению на выводах первичной обмотки высокого напряжения, опасного для человеческой жизни. Чтобы обслуживание вторичных цепей при эксплуатации было безопасным, обязательно производится заземление вторичной обмотки трансформатора и его корпуса. Таким образом, устраняется возможность перехода высокого напряжения во вторичные цепи при пробое изоляции. Номинальный коэффициент трансформации определяется следующим выражением: где U1ном и U2ном - номинальные первичное и вторичное напряжения соответственно. Рассеяние магнитного потока и потери в сердечнике приводят к погрешности измерения Так же как и в трансформаторах тока, вектор вторичного напряжения сдвинут относительно вектора первичного напряжения не точно на угол 180°. Это определяет угловую погрешность. В зависимости от номинальной погрешности различают классы точности 0,2; 0,5; 1; 3. Погрешность зависит от конструкции магнитопровода, магнитной проницаемости стали и от cosφ2, т.е. от вторичной нагрузки. В конструкции трансформаторов напряжения предусматривается компенсация погрешности по напряжению путем некоторого уменьшения числа витков первичной обмотки, а также компенсация угловой погрешности за счет специальных компенсирующих обмоток. Суммарное потребление обмоток измерительных приборов и реле, подключенных к вторичной обмотке трансформатора напряжения, не должно превышать номинальную мощность трансформатора напряжения, так как в противном случае это приведет к увеличению погрешностей. Подключая измерительные приборы и устройства защиты к ТН, следует учитывать тот факт, что включение большого количества электроприборов приводит к повышению значения тока во вторичной обмотке и увеличению погрешности измерения. Поэтому следите за тем, чтобы полная мощность подключенных приборов к трансформатору напряжения не превышала максимально допустимой мощности нагрузки ТН, указанной в паспорте. В случае если мощность нагрузки превышает номинальную мощность трансформатора для требуемого класса точности, необходимо установить еще один трансформатор напряжения и часть приборов присоединить к нему. По конструкции различают трехфазные и однофазные трансформаторы. Трехфазные трансформаторы напряжения применяются при напряжении до 18 кВ, однофазные — на любые напряжения. По типу изоляции трансформаторы могут быть сухими, масляными и с литой изоляцией.

                       

  Вопросы для повторения

1. Объясните устройство и принцип действия трансформатора.

2. Перечислите потери в трансформаторе и объясните их физическую природу.

3. Почему сердечник трансформатора собирают из тонких листов трансформаторной   стали, изолированных друг от друга?

4. Что называется коэффициентом трансформации?

5. Какой режим работы трансформатора называется холостым ходом?

6. Почему при любом изменении нагрузки трансформатора магнитный поток в его сердечнике остается практически неизменным?

7. Какие методы измерения к.п.д. трансформатора вызнаете?

8. Каково устройство трехфазного трансформатора?

9. Как соединяются между собой обмотки трехфазных трансформаторов?

1. Объясните устройство автотрансформатора.

11.Как включают трансформатор напряжения, и в каком режиме он раб

Задачи по теме « Трансформаторы»

Задача 1

Определить коэффициент полезного действия (%) трехфазного трансформатора со схемой соединения обмоток , мощностью Номинальное напряжение первичной обмотки , вторичной обмотки - ток холостого хода активное сопротивление первичной обмотки трансформатора активное сопротивление намагничивающей ветви Трансформатор загружен на 70% номинальной нагрузки и работает при коэффициенте мощности В расчете сопротивление первичной обмотки и приведенное сопротивление вторичной обмотки считать одинаковыми.

Задача 2

Номинальное первичное напряжение = 6 кВ, коэффициент трансформации = 15. Определить изменение вторичного напряжения трансформатора в процентах, если при номинальной нагрузке = 380 в.

Задача 3

Определить напряжение на зажимах вторичной обмотки при активной номинальной нагрузке, если активная составляющая напряжения короткого замыкания = 2 \%, номинальное вторичное напряжение = 400 В.

Задача 4

Мощность, потребляемая однофазным понижающим трансформатором, = 500 ВА. Напряжение сети =

= 100 В. Коэффициент трансформации = 10. Определить ток нагрузки.

Задача 5

. Как, вы думаете, что будет, если первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока?

Задача 6

.  Как определить число витков обмотки трансформатора, не нарушая обмоток? Есть в наличии несколько метров проволоки, разборный трансформатор, вольтметр

Задача 7

7.Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 840 витков, повышает напряжение с 220 до 660 В. Каков

коэффициент трансформации? Сколько витков содержится во вторичной обмотке?

Задача 8

9.  Трансформатор, содержащий в первичной обмотке 500 витков, включён в сеть напряжением 150В. Во вторичную цепь трансформатора, имеющую 165 витков, включён резистор сопротивлением 80 Ом. Найти силу тока во вторичной цепи, если падение напряжения на ней 50В.

Задача 9

Понижающий трансформатор с коэффициентов трансформации, равным 10, включён в сеть с напряжением 220 В. Каково напряжение на выходе трансформатора, если сопротивление вторичной обмотки 0,2 Ом, а сопротивление полезной нагрузки 2 Ом?

Задание в тестовой форме по теме "Трансформаторы"

1 вариант

1.Трансформатор -это прибор, преобразующий переменный ток,при котором напряжение?

1)только увеличивается без потерь мощности;

2)уменьшается в несколько раз без потерь мощности;

3)увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности;

4)не изменяется;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3) самоиндукции;

4) генерирования;

3.Как осуществляется передача электрической энергии из первичной обмотки трансформатора во вторичную?

1)с помощью электромагнитных волн;

2)по воздуху;

3)с помощью силы Лоренца;

4) помощью переменного магнитного поля, пронизывающего обе катушки;

4.В первичной обмотке трансформатора 100 витков, во вторичной – 20. Укажите правильное утверждение?

1)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 1000, трансформатор повышающий;

3)коэффициент трансформации равен 0,2, трансформатор понижающий;

4)коэффициент трансформации равен 5, трансформатор понижающий;

5.Первичная обмотка трансформатора включена в сеть напряжением 20 В. На зажимах вторичной обмотки напряжение равно 200 В.Число витков во вторичной обмотке равно 1000.Чему равен коэффициент трансформации и число витков  в первичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 10;

2) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков в первичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,1,число витков в первичной обмотке 10;

2 вариант

1.Трансформатор – это прибор, преобразующий …, в котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потерь мощности?

1)постоянный ток;

2)изменяющееся электрическое поле;

3)переменный ток;

4)среди ответов нет правильного;

2.На каком физическом явлении основан принцип действия трансформатора?

1)электролиза;

2)электромагнитной индукции;

3)генерирования;

4)самоиндукции;

3.В каком случае трансформатор является повышающим?

1) k =1;

2) k = 0;

3) k 1;

4) k

4.В первичная обмотка трансформатора содержит 800 витков, вторичная – 3200. Укажите правильное утверждение?

1) Коэффициент трансформации равен 8,трансформатор повышающий;

2)коэффициент трансформации равен 0,25,трансформатор понижающий;

3) коэффициент трансформации равен 4,трансформатор понижающий;

4) коэффициент трансформации равен 0,25, трансформатор повышающий;

5.Трансформатор изменяет напряжение от 200 В до 1000 В.В первичной обмотке 20 витков. Определите коэффициент трансформации и число витков во вторичной обмотке?

1) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 4;

2) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 100;

3) коэффициент трансформации равен 10, число витков во вторичной обмотке 100;

4) коэффициент трансформации равен 0,2, число витков во вторичной обмотке 400;

Эталон правильных ответов

Вариант	Ответы к вопросам
	1	2	3	4	5
1	3	2	4	4	2
2	3	2	4	4	2

Таблица для  заполнения обучающимися

Понятия	Определения
Трансформатор – это…
Кем был изобретён трансформатор
Устройство трансформатора
Обозначение трансформатора в цепи
На каком явлении основан принцип действия?
Чем характеризуется трансформатор?
Какие трансформаторы бывают
Обозначение трансформатора в цепи

Раздел 2: « Электрические машины постоянного тока. В раздел изучения входят следующие темы: Тема 2.1 Принцип действия и устройство машин постоянного тока. Тема 2.2 Магнитное поле машин постоянного тока. Тема 2.3 Коммутация в машинах постоянного тока. Тема 2.4 Генераторы постоянного тока. Тема 2.5 Двигатели постоянного тока Тема №2.1 Тип урока: урок изучения нового материала. Вид урока: лекция Метод обучения: объяснительно-иллюстративный Цели урока: Обучающая: сформировать у студентов понятие о назначении ГПТ, его устройстве и способах включения. Задачи: - рассказать о назначении ГПТ; - рассмотреть устройство ГПТ; - ознакомить схемами включения ГПТ; Развивающая цель: развить практико-ориентированное мышление. Задачи Наглядность на уроке: - макет машины постоянного тока. - плакат МПТ; - видеоролик, электронный образовательный ресурс. Студент должен: знать: принцип работы двигателей постоянного тока с параллельным или смешанным возбуждением; уметь: проводить расчет характеристик двигателя постоянного тока. Тема 2.1 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА        Электрическими машинами называются устройства, предназначен­ные для преобразования механической энергии вращения в электри­ческую (генератор) и наоборот, электрическую энергию в механичес­кую (двигатель). Работа электрической машины основана на единст­ве закона электромагнитной индукции и закона электромагнитных сил. Возьмем устройство, состоящее из двух магнитных полюсов создающих постоянное магнитное поле, и якоря – стального цилиндра с уложен­ным на нем витком из электропроводного материала. Концы витка при­соединены к двум металлическим полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца соприкасаются с неподвижными щет­ками, соединенными с внешней цепью (рисунок 1.1). Рисунок 1.1  При вращении якоря в соответствии с законом электромагнитной индукции в проводниках витка  ab и cd  при пересечении ими магнитного поля будет индуктироваться ЭДС, которая при наличии стального цилиндра равна  e = BLV где      V – линейная скорость движения проводника относительно магнитного поля; B – индукция магнитного поля; L – длина активной части витка. Направления ЭДС в проводниках  ab и cd  определяется по правилу правой руки. По контуру  abcd  эти ЭДС складываются и, так как верхний и нижний проводники находятся в одинаковых магнитных ус­ловиях, то ЭДС витка будет   Таким образом, в данных условиях характер изменения во времени ЭДС в проводнике при вращении определяется характером распределе­ния индукции в зазоре. Распределение ее по окружности якоря нерав­номерное, так как магнитное сопротивление  Rμ  потоку различное. Под полюсами индукция В имеет максимальное значение, в проме­жутке между полюсами индукция уменьшается, достигая на линии qq нулевого значения (рисунок 1.2,а). Линия dd, проходящая через центр якоря вдоль полюсов, называется продольной осью машины, а линия qq, проходящая через центр якоря посредине между полюсами, называется поперечной осью. Поперечную ось также называют геометрической ней­тралью. Часть окружности якоря, приходящуюся на один полюс, называет полюсным делением и обозначают τ.   Рисунок 1.2   При вращении якоря через каждые полоборота проводники  ab и cd  оказываются в поле противоположных полюсов. Поэтому направле­ние ЭДС в них меняется на противоположное. Таким образом, при вращении якоря в витке индуктируется переменная ЭДС (рисунок 1.2,б). Для получения во внешней цепи постоянного тока устанавливают спе­циальный переключатель, называемый коллектором. Проводники ab и cd присоединяются к полукольцам, изолированным друг от друга и от вала. Полукольца (пластины коллектора) соприкасаются с непод­вижными щетками, соединенными с внешней цепью. При вращении якоря каждая из щеток будет соприкасаться только с той коллекторной пластиной и соответственно только с тем из проводников, который на­ходится под полюсом данной полярности. Направление ЭДС в витке изменяется на линии геометрической нейтрали и в это же момент происходит переключение полуколец к щеткам А и В. В резуль­тате полярность щеток в процессе работы машины остается неизмен­ной, а ЭДС и ток во внешней цепи становятся постоянными по направ­лению и переменным» по величине (рисунок 1.3). Таким образом, кол­лектор играет роль механического переключателя сторон витка к щет­кам, т.е. является выпрямителем. Чтобы сгладить пульсацию ЭДС и тока во внешней цепи, на якоре располагают несколько витков, при­соединенных к соответствующим парам коллекторных пластин и сдви­нутых относительно друг друга на некоторый угол. Практически уже при 16 витках на якоре пульсации тока становятся незаметными и ток во внешней цепи можно считать постоянными не только по направ­лению, но и по величине. Таким образом, мы получили генератор пос­тоянного тока.     Тема № 2.2 Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке Магнитная цепь машин постоянного тока выполняется т. о., что в ней поддерживается постоянное по величине и неподвижное в пространстве магнитное поле, в которой перемещается подвижная часть машины ( ротор), с расположенными на нем витками. Характерным для электромагнитной схемы машин постоянного тока является то обстоятельство, что в них Э.Д.С. индукции наводится в витках, движущихся в неподвижном магнитном поле и проводники с током взаимодействуют также с неподвижным магнитным полем обмоток статора, Статор ( электромагнит ) создает магнитное поле, линии которого сцепляются с витками роторной обмотки. При холостом ходе машины тока в якоре нет и магнитное поле создается намагничивающей силой полюсов. Это магнитное поле симметрично относительно оси полюсов и распределяется примерно равномерно в воздушном зазоре (рис. 150, а). Положим, что щетки установлены на геометрической нейтрали, т. е. на линии, проходящей через центр якоря и перпендикулярной оси полюсов. При нагрузке машины в обмотке якоря протекает ток, который создает свое магнитное поле. Поле якоря, воздействуя на магнитное поле полюсов, изменяет и искажает его. При нагрузке машины по магнитной цепи замкнется результирующий магнитный поток Φp, создаваемый совместным действием намагничивающих сил полюсов и якоря. Результирующий магнитный поток Φp не равен потоку полюсов Φп, созданному намагничивающими силами обмотки возбуждения, или при холостом ходе. Воздействие поля, возбуждаемого током в якоре при нагрузке машины, на магнитное поле полюсов называется реакцией якоря. Если по проводникам обмотки якоря невозбуждаемой машины пропустить от постороннего источника такой ток, который будет при нагрузке машины, то будет создано магнитное поле якоря (рис. 150, б). Это поле якоря замыкается поперек оси полюсов и называется поперечным полем реакции якоря. Намагничивающая сила якоря под одним краем полюса (под набегающим для генератора и под сбегающим для двигателя) направлена встречно намагничивающей силе полюсов, а под другим краем полюса (под сбегающим для генератора и под набегающим для двигателя) — согласно намагничивающей силе полюсов. Следовательно, под одним краем полюса происходит уменьшение, а под другим увеличение магнитной индукции. Таким образом, при нагрузке машины результирующее магнитное поле будет несимметрично относительно оси полюсов (рис. 150, в), т. е. поперечное поле реакции якоря перераспределяет магнитное поле полюсов, ослабляя его под одним краем и усиливая под другим краем полюса. Если магнитная система машины не насыщена, то увеличение магнитного потока под одним краем полюса будет равно уменьшению магнитного потока под другим краем полюса и результирующий магнитный поток останется неизменным при изменении нагрузки. Так как машины работают при сравнительно сильных магнитных полях, то вследствие насыщения стали увеличение магнитного потока под одним краем полюса будет меньше, чем уменьшение магнитного потока под другим краем полюса. Поэтому результирующий магнитный поток при нагрузке окажется меньше магнитного потока полюсов, т. е. магнитного потока при холостом ходе. Изменение магнитного потока машины приводит в генераторах к изменению как э. д. с., так и напряжения на зажимах машины. Кроме того, под воздействием реакции якоря увеличивается напряжение между смежными коллекторными пластинами, что ухудшает коммутацию тока. Если, например, в генераторе при неизменном токе возбуждения увеличится нагрузка (возрастет ток в якоре), то из-за размагничивающего действия поля реакции якоря магнитный поток машины уменьшится, что повлечет за собой уменьшение как э. д. с., так и напряжения на зажимах генератора. Поэтому в тех случаях, когда требуется постоянство э. д. с. или напряжения на зажимах генератора, при увеличении нагрузки машины повышают и ток возбуждения с тем, чтобы возрастание магнитного потока компенсировало размагничивающее действие реакции якоря. Кроме того, при нагрузке напряжение уменьшается в результате падения напряжения в якоре Тема № 2.3 Коммутация в машинах постоянного тока Во время работы машины постоянного тока происходит непрерывное переключение секций обмотки из одной параллельной ветви в другую, при этом ток в переключенных секциях изменяет свое направление на противоположное. Так как время этого перехода очень мало, то скорость изменения тока в секции велика. Если учесть, что секция размещена на стальном сердечнике (индуктивность велика), то процесс переключения секции может сопровождаться появлением в ней значительной ЭДС самоиндукции и, возможно, искрением. Процесс переключения секций обмотки из одной параллельной ветви в другую и все сопутствующие этому переключению явления называют процессом коммутации, а продолжительность этого процесса - периодом коммутации. Рассмотрим этот процесс несколько подробнее на примере обмотки с двумя параллельными ветвями. Перед началом коммутации, когда щетка соприкасается только с коллекторной пластиной 1 (Рис.6-8, а), ток нагрузки I, протекает от пластины 1 до точки а, где разветвляется в обе параллельные ветви. Интересующая нас секция (на чертеже выделена жирной линией) находится в правой параллельной ветви. Как только правый край щетки коснется пластины 2, начнется процесс коммутации, который будет продолжаться, пока левый край щетки не сойдет с пластины 1, при этом в течение всего периода коммутации выделенная нами секция будет замкнута накоротко щеткой (Рис.6-8, б) Так как за все время коммутации значение и направление токов в проводах 2 и 3 не изменится, то по мере перехода щетки коллекторной пластины 1 на пластину 2 ток под набегающим краем будет увеличиваться, а под сбегающим - уменьшаться, распределяясь обратно пропорционально площади соприкосновения, плотность тока при этом будет везде постоянной. Но так было бы при очень медленном движении коллектора относительно щетки. На самом же деле период коммутации длится лишь тысячные доли секунды, за это время ток в выделенной секции (провода 1-4) изменяется от + до нуля и от нуля до - . Так как секция имеет большую индуктивность, то под действием ЭДС самоиндукции в ней появится дополнительный ток, направление которого (по закону Ленца) совпадет с убывающим током в секции. Этот дополнительный ток сильно увеличит плотность тока под сбегающим краем щетки, и в момент схождения щетки с пластины I между этой пластиной и щеткой произойдет искрение. Теперь, когда щетка стала касаться только пластины 2 (Рис.6-8, в), выделенная нами секция 1-4 оказалась в левой параллельной ветви, ток в ней изменил свое направление на противоположное. После этого начнется коммутация следующей секции, т.е. под щеткой снова будет наблюдаться искрение. Мы рассмотрели коммутацию под щеткой одной полярности. Точно в таких же условиях находится и щетка другой полярности, где направление токов во всех проводниках будет противоположным. Для уменьшения добавочного тока, возникающего в коммутируемых секциях, в машинах высокого напряжения применяют твердые угольные щетки, образующие большие контактные сопротивления в замыкаемых секциях. Улучшение условий коммутации в машинах постоянного тока главным образом осуществляется с помощью дополнительных полюсов. Этот метод основан на следующем. ЭДС самоиндукции в коммутируемых секциях возникает при прохождении этих секций вблизи геометрической нейтрали и зависит от значения тока нагрузки. Если в это время каким-нибудь дополнительным полем в коммутируемой секции создать равную и противоположную ЭДС, то дополнительный ток при этом может исчезнуть. Именно так и поступают на практике. Дополнительные полюсы размещают нагеометрическойнейтрали и снабжают обмотками, включенными последовательно в цепь нагрузки (Рис.6-9). Дополнительные полюсы своим полем индуцируют в коммутирующих секциях коммутирующую ЭДС, пропорциональную току нагрузки, и компенсирующую ЭДС самоиндукции в секции, при этом поле дополнительных Рис.6-9полюсов одновременно ослабляет и влияние реакции якоря. У генераторов за главным полюсом по направлению его вращения ставят дополнительный полюс противоположной полярности, а у двигателя - такой же полярности. Это условие автоматически выполняется при переходе машины из режима работы генератора в режим двигателя, так как направление тока изменяется на противоположное. У большинства машин постоянного тока делают по два дополнительных полюса на каждую пару главных полюсов. У маломощных машин (до 5 кВт) на каждую пару главных полюсов делают один дополнительный полюс. Тема № 2.4 Генераторы постоянного тока. Принцип действия, устройство. Назначение коллектора в устройстве генератора. Тип урока: урок изучения нового материала. Вид урока: лекция     Генераторы  постоянного тока являются источниками  постоянного тока, в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем, в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели внутреннего сгорания. При работе генератора в обмотку возбуждения подается постоянный ток для создания основного магнитного потока. Генераторы постоянного тока находят применение в тех отраслях промышленности, где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (на предприятиях металлургической и электролизной промышленности, на транспорте, на судах и др.). Используются они и на электростанциях в качестве возбудителей синхронных генераторов и источников постоянного тока. Также используют в энергетических установках в качестве источников электрической энергии В последнее время в связи с  развитием полупроводниковой техники  для получения постоянного тока часто применяются выпрямительные установки, но несмотря на это генераторы постоянного тока продолжают находить широкое применение.     Генераторы  постоянного тока выпускаются на мощности от нескольких киловатт до 10 000 кВт.     Режим работы электрической машины в условиях, для которых она предназначена  заводом-изготовителем, называется номинальным. Величины, соответствующие этому режиму работы (мощность, ток, напряжение, частота вращения и др.), являются номинальными данными машины. Они указываются в каталогах и выбиваются на табличке, прикрепленной к станине машины.      Устройство генератора постоянного тока Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию вращающего ее первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока, которую машина отдает потребителям. Поэтому основными частями генератора являются якорь с расположенной на нем обмоткой и электромагниты, создающее магнитное поле. Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, штампованные по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуют пазы, кудаукладываются изолированные проводники обмотки якоря. На валу якоря укрепляется коллектор, состоящий из отдельных медных пластин, припаянных копределенным местам обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитом. Коллектор служит для выпрямления тока и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть. Генератор в разборе Основными частями машины являются статор( магнитопровод) и ротор (якорь). Статор, изготовленный в виде стального цилиндра, служит как для крепления других деталей, так и для защиты от механических повреждений и является неподвижной частью магнитной цепи Магнитная цепь машины постоянного тока (рис. 1) состоит из неподвижной части — статора 1 и вращающейся части — ротора По магнитопроводу( статору) замыкается магнитный поток. Величина магнитного потока зависит от размеров эл. машины, материала, числа витков и величины протекающих по ним токов. Поперечный разрез машины постоянного тока: 1 — сердечник якоря с проводниками обмотки; 2 — катушка обмотки возбуждения; 3 — вал; 4 — главный полюс; 5 — дополнительный полюс; 6 — статор К статору крепятся магнитные полюсы, которые могут представлять собой постоянные магниты (у машин малой мощности) или электромагниты. В последнем случае на полюсы насаживается обмотка возбуждения, питаемая постоянным током и создающая неподвижный относительно статора магнитный поток. Между главными полюсами располагаются добавочные полюсы со своими обмотками. К статору крепятся подшипниковые щиты Ротор (корь) машины постоянного тока набирается из листовой стали (для уменьшения потерь мощности и от вихревых токов. Листы изолируются друг от друга. Якорь является подвижной (вращающейся) частьюмагнитопровода машины. В пазы якоря укладывается обмотка якоря, или рабочая обмотка, состоящая из соединенных между собой секций. Р отор ( якорь) генератора постоянного тока

Коллектор В простейшем случае коллектор представляет собой две половины кольца, изолированные друг от друга. К этим полукольцам присоединяются концы обмоток ротора и наводится переменное напряжение. К поверхностям этих колец прижаты неподвижно закрепленные угольные щетки, соединяющие обмотку генератора с внешней цепью. Коллектор жестко закреплен на валу ротора, где крепится и вентилятору Принцип работы генераторов  постоянного тока  Работа генератора основана на использовании закона электромагнитной индукции, согласно которому в проводнике, движущемся в магнитном поле и пересекающем магнитный поток, индуцируется э д. с. При ра­боте генератора его якорь приводится во вращение приводным двигателем, а в обмотку возбуждения подается постоянный ток для создания основного магнитного потока. В результате в обмот­ке якоря генератора индуктируется ЭДС Е=СwФ и к его выводам может быть подключен потребитель элект­рической энергии (нагрузки     Простейший  генератор постоянного тока (рис. 3) представляет собой помещенную между полюсами магнита рамку из проводника, концы которого присоединены к изолированным полукольцам, называемым пластинами коллектора. К полукольцам (коллектору) прижимаются положительная и отрицательная щетки, которые замыкаются внешней цепью через электрическую лампочку. Для работы генератора рамку проводника с коллектором необходимо вращать. В соответствии с правилом правой руки при вращении рамки проводника с коллектором в ней будетиндуктироваться электрический ток, изменяющий свое направление через каждые пол-оборота, так как магнитные силовые линии каждой стороной рамки будут пересекаться то о одном, то в другом направлении. Вместе с этим через каждые пол-оборота изменяется контакт концов проводника рамки и полуколец коллектора со щетками генератора. Во внешнюю цепь ток будет идти в одном направлении,     изменяясь только по величине от 0 до максимума. Таким  образом, коллектор в генераторе служит для выпрямления переменного  тока, вырабатываемого рамкой. Для  того чтобы электрический ток  был постоянным не только по направлению, но и по величине, (по величине — приблизительно постоянным), коллектор делают из многих (36 и более) пластин, а проводник представляет собой много рамок или секций, выполненных в виде .

Магнитная цепь машины постоянного тока с четырьмя полюсами

Ротор машины набирают из стальных штампованных листов с пазами по окружности и с отверстиями для вала и вентиляции (рис. 2). В пазы (5 на рис. 1) ротора закладывается рабочая обмотка машины постоянного тока, т. е. обмотка, в которой основным магнитным потоком индуцируется э. д. с. Эту обмотку называют обмоткой якоря (поэтому ротор машины постоянного тока принято называть якорем).

Значение э. д. с. генератора постоянного тока может изменяться, но ее полярность остается постоянной. Принцип действия генератора постоянного тока показан на рис. 3.

Полюсы постоянного магнита создают магнитный поток. Представим, что обмотка якоря состоит из одного витка, концы которого присоединены к различным полукольцам, изолированным друг от друга. Эти полукольца образуют коллектор, который вращается вместе с витком обмотки якоря. По коллектору при этом скользят неподвижные щетки.

При вращении витка в магнитном поле в нем индуцируется э. д. с

где В — магнитная индукция, l — длина проводника, v — его линейная скорость.

Когда плоскость витка совпадает с плоскостью осевой линии полюсов (виток расположен вертикально), проводники пересекают максимальный магнитный поток и в них индуцируется максимальное значение э. д. с. Когда виток занимает горизонтальное положение, э. д. с. в проводниках равна нулю.

Направление э. д. с. в проводнике определяется по правилу правой руки Когда при вращении витка проводник переходит под другой полюс, направление э. д. с. в нем меняется на обратное. Но так как вместе с витком вращается коллектор, а щетки неподвижны, то с верхней щеткой всегда соединен проводник, находящийся под северным полюсом, э. д. с. которого направлена от щетки. В результате полярность щеток остается неизменной, а следовательно, остается неизменной по направлению э. д. с. на щетках — е_щ (рис. 4).

Коэффициент полезного действия генератора представляет со­бой отношение полезной мощности Р₂, отдаваемой генератором нагрузке, к механической мощности Р₁, подводимой к генератору,

где — сумма потерь мощности.

ЭДС и электромагнитный момент генератора постоянного тока

Выведем зависимость ЭДС генератора от параметров машины, скорости вращения якоря и магнитного потока.

ЭДС, индуцируемая в каждом витке обмотки, может быть определена по формуле . (1). Применительно к машине постоянного тока эта формула (и весь последующий вывод) значительно упрощается введением понятия средней индукции. Пусть магнитный поток, создаваемый главным полюсом, Ф, тогда при 2 p полюсах общий магнитный поток равен 2р Ф. Однако можно с достаточной точностью допустить, что индукция распределена равномерно во всем воздушном зазоре, поэтому для расчетов можно взять ее среднее значение:

, (2)

где d - диаметр сердечника якоря, l - образующая цилиндра якоря (длина якоря). Тогда средняя ЭДС одного проводника обмотки при = 90° равна

, (3)

где l - длина активной части проводника (равна образующей цилиндра якоря); v - линейная (окружная) скорость движения проводника.

Подставим в формулу (3) значение средней индукции В_сри линейной скорости и после преобразования получим:

, (4)

где n - скорость вращения якоря.

Подставим выражение (4) в уравнение (3), после сокращения получим:

. (6)

В полученной формуле выделенная дробь содержит параметры, зависящие от конструкции машины. Для данной конструкции машины эта величина постоянная. Обозначим эту дробь через с, тогда для ЭДС генератора окончательно имеем:

. (7)

Таким образом, ЭДС генератора постоянного тока пропорциональна значению магнитного потока Ф и скорости вращения якоря п. Следовательно, для поддержания постоянного напряжения на зажимах генератора можно изменять ЭДС либо значением магнитного потока, либо скоростью вращения ротора (либо тем и другим). На практике ротор генератора приводят во вращение двигателем, работающим нормально при определенной скорости вращения вала, а магнитный поток изменяют путем изменения тока в обмотке возбуждения. Мощность генератора постоянного тока можно представить формулой механической мощности (Р = ), причем под работой А следует понимать работу, затрачиваемую па преодоление тормозного момента, развиваемого якорем, за один оборот при вращении якоря со скоростью n (без потерь). Тогда эту формулу механической мощности запишем:

где F - сила, действующая на якорь. При таком взаимодействии на каждый проводник обмотки якоря с током I действует сила , а на Wпроводников обмотки

F= B* I* W

Электромагнитный момент машины выражается формулой

М = сФ1_я .

Реакция якоря

В режиме холостого хода генератора постоянного тока в его обмотке индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток - поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т.е. имеет место явление, называемое реакцией якоря

Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет (как и в синхронной машине) к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины. Для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока.

Способы возбуждения генераторов постоянного тока

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают: независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (Рис.6-10, а). Напряжение на зажимах такого генератора (кривая I на Рис.6-11) с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (Рис.6-10, б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U" уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора U_B уменьшается несколько быстрее (кривая 2 на Рис.6-11), чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0В_У - включаемую параллельно якорю, ОВ₂ (дополнительную) - последовательно (Рис.6-10, г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора

ОСНОВНЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

Величина э.д.с, индуктируемой генератором, прямо пропорциональна магнитному потоку Ф, создаваемому главными полюсами, и частоте вращения якоря п:

где С — постоянный коэффициент, учитывающий число  витков обмотки  якоря,  число  пар полюсов  и другие постоянные   величины,    характеризующие данный генератор. Напряжение на выводах генератора  меньше его э.д.с. на  величину падения напряжения в цепи якоря. Падение напряжения в цепи якоря определяется по закону Ома и равно произведению тока якоря Iя на сопротивление цепи якоря Rя.    Следовательно, напряжение на выводах генератора

Общее сопротивление цепи якоря состоит из сопротивлений обмотки якоря, последовательной обмотки возбуждения, обмотки добавочных полюсов, щеток и переходов между коллектором и щетками.
Падение напряжения в цепи якоря очень небольшое, так как сопротивление обмотки якоря мало. Поэтому напряжение генератора бывает лишь незначительно меньше его э.д.с. Из этих двух формул также следует, что величину э.д.с. генератора и напряжения на его зажимах можно изменять двумя способами: изменением магнитного потока полюсов или частоты вращения якоря.
Отдаваемая во внешнюю цепь мощность генератора в киловаттах:

Мощность, отдаваемая генератором, всегда меньше мощности, затрачиваемой на вращение якоря и возбуждение, потому что внутри генератора происходят потери энергии. К этим потерям относятся механические потери (трение в подшипниках, трение коллектора о щетки), потери на нагрев проводов обмотки якоря и обмотки возбуждения, магнитные потери и т. д.
Отношение полезной мощности генератора, т. е. той, которую он отдает во внешнюю цепь, к мощности, затрачиваемой для привода генератора и его возбуждения, называют коэффициентом полезного действия генератора. Если тяговый генератор тепловоза работает  с    полной    нагрузкой,    его к.п.д. достигает 94—95%, т. е. потери в нем весьма малы.
Для возбуждения (создания)   рабочего    магнитного   потока в   электрических   машинах) генератора по обмотке его главных полюсов пропускают ток, называемый током возбуждения. По способу возбуждения генераторы разделяются на два типа: генераторы с независимым возбуждением и генераторы с самовозбуждением.

Практическое занятие

Расчет генератора постоянного тока

Для расчета генератора постоянного тока с параллельным возбуждением необходимо:

усвоить устройство и принцип действия электрических машин постоянного тока; знать формулы_, выражающие взаимосвязь между электрическими величинами, характеризующими данный тип электрической машины.

- отчетливо представлять связь между напряжением U на зажимах машины, ЭДС Е и падением напряжения IR в обмотке якоря генератора

Для генератора Е =U+ I_Я· ∑R,

В этих формулах ∑R= R_Я+R_ДП +R_КО +R_С +R_Щ - сумма сопротивлений всех участков цепи якоря: R_Я - обмотки якоря;

R_ДП - обмотки добавочных полюсов; R_КО - компенсационной обмотки;

R_Щ - переходного щеточного контакта; R_С-последовательной обмотки возбуж­дения.

При отсутствии в машине (это зависит от её типа и предложен­ной задачи) каких-либо из указанных обмоток в формулу, определяю­щую ∑R, не входят соответствующие слагаемые. Полезный вращающий момент М на валу генератра определяется по формуле

M = Н·м,

гдеР₂- полезная механическая мощность -Вт. n - об/мин. – частота вращения вала двигателя.

Пример:

Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением ра­ботает в номинальном режиме.

Его технические данные:

Р_НОМ =16000Вт - номинальная мощность; Uном =230 В - номинальное напряжение;

R_Я=0,13 Ом - сопротивление обмотки якоря; R_В =164 Ом - сопротивление обмотки возбуждения;

η_НОМ= 90,1 % номинальный коэффициент полезного действия.

Определить:

Iном - ток нагрузки, I_B - ток возбуждения, I_Я - ток якоря,

Р_Я- потери мощности в якоре, Р_В- потери мощности в обмотке возбуждения,

Р_Щ - потери мощности в щеточном контакте,

Р_Х = Р_СТ +Р_МЕХ - потери холостого хода, состоящие из по­терь в стали и механических потерь. Р_ДОБ- добавочные потери,

∑P- суммарные потери мощности,Е - ЭДС генератора.

Решение

I. Ток нагрузки Iном = Рном/ Uном =16000 Вт / 230 В = 69,6 А

2. Ток возбуждения I_B = U _{H 0M} / R _B = 230 В / I64 Ом = 1,4 А.

3. Ток якоря Iя = Iном + Iв =69,6 А + 1,4 А = 71 А

4. Потери мощности в обмотке якоря Ря = I²я · Rя =71² А² ·0,13 Ом = 655 Вт.

5. Потери мощности в обмотке воз­буждения

Р_В = I²_В · R_В =1,4² А²· 164 Ом = 321 Вт.

6. Потери мощности в щеточном контактеРщ = ∆ U_Щ · Iя=2 В • 71 А= 1428 Вт.

Здесь ∆ U_Щ = 2 В - падение напряжения на электрографитированных щетках.

7. Добавочные потери мощностиР_ДОБ = 0,01·Р_НОМ = 0,01 • 16000 Вт = 160 Вт.

8.Мощность, потребляемая генератором от первичного двигателя

Р₁ =Рном / η_НОМ= 16000 Вт / 0,901 = 17758 Вт

9. Суммарные потери мощности в генераторе ∑Р = Р₁ –Рном = 17758 Вт –16000 Вт = 1758 Вт

Лабораторная работа

Определение параметров и основных характеристик генератора постоянного тока с независимым возбуждением.

Цель занятия.Изучить конструкцию генератора постоянного тока независимого возбуждения и приобрести практические навыки при снятии и построении основных характеристик; изучить экспериментальное подтверждение теоретическим сведениям о генераторах постоянного тока независимого возбуждения.

Ход работы.

1. Ознакомиться с конструкцией генератора и приводного двигателя, записать их паспортные данные и данные измерительных приборов.

2. Проверить работоспособность стенда.

3. Снять данные и построить характеристику х.х. генератора и определить коэффициент магнитного насыщения.

4. Снять данные и построить нагрузочную характеристику генератора при номинальном токе нагрузки; построить характеристический треугольник при номинальном напряжении генератора и установить величину тока возбуждения, которая идет на компенсацию размагничивающего действия реакции якоря.

5. Снять данные и построить внешнюю характеристику генератора и определить номинальное изменение напряжения при сбросе нагрузки.

6. Снять данные и построить регулировочную характеристику.

7. Составить отчет и сделать заключение о проделанной работе.

Паспортные данные

Генератор – машина постоянного тока Г-200

Номинальная мощность	200Вт
Напряжение питания	27В
Номинальный момент на валу	0,69 Н*м
Номинальный ток якоря	10А
Номинальная угловая скорость	288 рад/с (2750 об/мин)
Режим работы	S1
Сопротивления Cякоря при 20	0,127Ом
Сопротивление Cобмотки возбуждения при 20	12,4ОМ

Схема соединений

Характеристика холостого хода

Iв, А
Евос, В
Енис, В

Нагрузочная характеристика

U/Uном	1,15	1,0	0,85	0,75	0,5
U, В
Iа=Iном, А
Iв, А

Внешняя характеристика

U,В
Iн, А

Регулировочная характеристика

U, В
Iн, А
Iв, А

1. Вывод:

Тема № 2.5 Двигатели постоянного тока Устройство, принцип действия электродвигателя

Электрические машины предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую называются электродвигателями.

Электрические машины бывают коллекторными и бесколлекторными.

Отличительным конструктивным признаком коллекторной машины постоянного тока является наличие коллектора, через который осуществляется связь рабочей обмотки ( обмотки якоря) с источником питания. Коллектор - это механический преобразователь, В комплекте с контактными щетками он преобразует постоянный ток в переменный или наоборот

.

Электрическая машина состоит и двух основных частей:

1. неподвижной части (статора)

2. подвижной- ротора (якоря)

Статорсостоит из станины (корпуса), главных и добавочных полюсов, которые имеют обмотки возбуждения. Эту неподвижную часть машины иногда называют индуктором. Главное его назначение — создание магнитного потока. Станина изготавливается из стали, к ней болтами крепятся главные и добавочные полюса, а также подшипниковые щиты. Сверху на станине имеются кольца для транспортирования, снизу — лапы для крепления машины к фундаменту. Главные полюса машины набираются из листов электротехнической стали толщиной 0,5 -1 мм с целью уменьшения потерь, которые возникают из-за пульсаций магнитного поля полюсов в воздушном зазоре под полюсами. Стальные листы сердечника полюса спрессованы и скреплены заклепками..

Рисунок 1 – Машина постоянного тока:
I — вал; 2 — передний подшипниковый щит; 3 — коллектор; 4 — щеткодержатель; 5 — сердечник якоря с обмоткой; б — сердечник главного полюса; 7 — полюсная катушка; 8 — станина; 9 — задний подшипниковый щит; 10 — вентилятор; 11 — лапы; 12 — подшипник

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения и магнитного потока. Главный полюс состоит из сердеч­ника 6 и полюсной катушки 5. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспе­чивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1—2 мм.

Якорь (ротор) машины постоянного тока (рис. 24.4) состоит из вала 10, сердечника 3 с обмоткой и коллектора 7. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штам­пованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Лис­ты покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конст­рукция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотка якоря изготавливается из медных проводов круглого или прямоугольного сечения в виде заранее выполненных секций (рисунок 3). Они укладываются в пазы, где тщательно изолируются.натяжением. В современных машинах для бандажировки якорей используют стеклянную ленту.
Коллектор машины постоянного тока собирается из клиноподобных пластин холоднокатаной меди. Пластины изолируют одну от другой прокладками из коллекторного миканита толщиной 0,5 - 1 мм.выпучивания пластин под действием центробежных сил применяют внешние изолированные бандажные кольца.


Щеточный аппарат состоит из траверсы, щеточных пальцев (болтов), щеткодержателей и щеток. Траверса предназначена для крепления на ней щеточных пальцев щеткодержателей, образующих электрическую цепь.
Щеткодержатель состоит из обоймы, в которую помещается щетка, рычага для прижима щетки к коллектору и пружины. Давление на щетку составляет 0,02 - 0,04 МПа.
Для соединения щетки с электрической цепью имеется гибкий медный тросик.

Принцип действия электродвигателя постоянного тока.

Напряжение подается на электромагниты расположенные в статоре, и через щеточно-коллекторный узел также подается на одну из катушек ротора. В следствии этого создаются магнитные поля и при их взаимодействии ротор начинает вращаться.

По ходу вращения через щеточно-коллекторный узел напряжение переключается на следующую катушку ротора и т.д. по кругу. Таким образом получается что магнитное поле каждой следующей катушка ротора взаимодействует с магнитным полем статора и поддерживает вращение ротора

Принцип действия ДПТ основан на взаимодействии магнитных полей обмотки возбуждения( статорной обмотки) и ротора. Можно представить, что вместо якоря у нас рамка, через которую протекает ток, а вместо обмотки возбуждения постоянный магнит с полюсами N и S. При протекании постоянного тока через рамку, на нее начинает действовать магнитное поле постоянного магнита, то есть рамка начинает вращаться, причем, так как направление тока не меняется, то и направление вращения рамки остается прежним.

При подаче напряжения на зажимы двигателя начинает протекать ток в обмотке якоря, на него, как мы уже знаем, начинает действовать магнитное поле машины, при этом якорь начинает вращаться, а так как якорь вращается в магнитном поле, начинает образовываться ЭДС. Эта ЭДС направлена против тока, в связи с этим её называют противоЭДС. Её можно найти по формуле

Где Ф – магнитный поток возбуждения, n – частота вращения ротора, а Cе это конструктивный момент машины, который остается для нее постоянным.

Напряжение на зажимах больше чем противоЭДС на величину падения напряжение в якорной цепи.

А если домножить это выражение на ток, то получим уравнение баланса мощностей.

ТЕСТ «УСТРОЙСТВО МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА» 1 ВАРИАНТ

ВОПРОСЫ

ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ

1) В генераторе постоянного тока происходит преобразование…

а) тепловой энергии в электрическую энергию;

б) электрической энергии в тепловую энергию;

в) механической энергии в электрическую энергию;

г) электрической энергии в механическую энергию;

д) электрической энергии в химическую энергию.

2) ЭДС е и ток i совпадают по направлению в …

а) двигателе постоянного тока;

б) генераторе постоянного тока;

в) трансформаторе;

г) коллекторе;

3) Якорем машины постоянного тока называется…

а) неподвижная часть машины постоянного тока;

б) вращающаяся часть машины постоянного тока;

4)Часть генератора постоянного тока, обеспечивающая выпрямление переменного тока это

а) станина;

б) коллектор;

в) подшипники;

г) обмотка возбуждения;

д) выводные концы.

5) Генератор постоянного тока можно использовать в качестве двигателя постоянного тока и наоборот

а) нельзя;

б) можно с переделками;

в) можно.

6) В тяговых электрических машинах постоянного тока применяют исключительно …

а) угольно - графитные щётки;

б) графитные щётки;

в) металлографитные щётки;

г) электрографитированные щётки.

7) Сердечники главных полюсов набирают из отдельных листов,

электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем изоляции, для того, чтобы

а) уменьшить потери электрической энергии;

б) уменьшить потери на вихревые токи;

в) повысить потери на индукционные токи;

г) преобразовать электрическую энергию в механическую8

8)Часть сердечника главного полюса, обращенная к поверхности якоря выполняется более широкой и называется …

а) добавочным полюсом;

б) обмоткой возбуждения;

в) полюсным наконечником;

г) коллектором;

д) щёткодержателем

9 Обмотка якоря машины постоянного тока выполняется из…

а) из изолированной медной проволоки или медной шины;

б) из неизолированной стальной проволоки;

в) из изолированной алюминиевой проволоки или стальной шины.

г) из коллекторных пластин.

10) Компенсационную обмотку, улучшающую условия работы коллектора и щёток располагают …

а) в щёткодержателях;

б) в добавочных полюсах;

в) в полюсных наконечниках главных полюсов;

г) на якоре машины постоянного тока;

д) на коллекторе машины постоянного тока.

Тест «Электрические машины постоянного тока»

1)Почему на практике не применяют генератор постоянного тока последовательного возбуждения?

a) Напряжение на зажимах генератора резко изменяется при изменении нагрузки.
b) Напряжение на зажимах генератора не изменяется при изменении нагрузки.
c) ЭДС уменьшается при увеличении нагрузки.
d) ЭДС генератора не изменяется.

2) При постоянном напряжении питания двигателя постоянного тока параллельного возбуждения магнитный поток возбуждения уменьшился. Как изменилась частота вращения?

a) Уменьшилась.
b) Не изменилась.
c) Увеличилась.
d) Периодически изменяется

3)Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения - это зависимость..

a) Нет зависимости.
b) Е от I возб.
c) Iвозб от Iнarp.
d) U от I нагр.

4)Номинальный ток двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением I ном = 50 А. Чему равен ток обмотки возбуждения?

a) 100 А.
b) 50 А.
c) 25 А.
d) 250А

5)Почему сердечник якоря машины постоянного тока набирают из листов электротехнической стали, изолированных между собой?

a) Для уменьшения потерь мощности от перемагничивания и вихревых токов.
b) Из конструктивных соображений.
c) Для уменьшения магнитного сопротивления потоку возбуждения.
d) Для шумопонижения

 6)Генератор постоянного тока смешанного возбуждения это генератор, имеющий:

a) Параллельную обмотку возбуждения.
b) Последовательную обмотку возбуждения.
c) Параллельную и последовательную обмотки возбуждения.
d) Имеющий особые обмотки возбуждения.

7)Каково назначение реостата в цепи обмотки возбуждения двигателя постоянного тока?

a) Ограничить пусковой ток.
b) Регулировать напряжение на зажимах.
c) Увеличивать пусковой момент.
d) Регулировать скорость вращения.

8)Мощность, потребляемая двигателем постоянного тока из сети Pi = 1,5 кВт. Полезная мощность, отдаваемая двигателем в нагрузку, Р2 = 1,125 кВт. Определить КПД двигателя В %..

a) 80%.
b) 75%.
c) 85%.
d) 90%

9)Что произойдет с ЭДС генератора параллельного возбуждения при обрыве цепи возбуждения?

a) ЭДС увеличится.
b) ЭДС не изменится.
c) ЭДС снизится до Е ост.
d) ЭДС станет равной нулю.

 10)Пусковой ток двигателя постоянного тока превышает номинальный ток из - за:

1. Отсутствия противоЭДС в момент пуска.
   b) Малого сопротивления обмотки якоря.
   c) Большого сопротивления обмотки возбуждения.
   d) Малого сопротивления обмотки возбуждения

Раздел № 3 «Электрические машины переменного тока»

В этот раздел входят темы:

1. Теория бесколлекторных машин переменного тока.

2. Асинхронные машины.

3. Асинхронные машины специального назначения

Тема №1 «Асинхронный двигатель»

- это электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии переменного тока в механическую энергию. Само слово “асинхронный” означает не одновременный. При этом имеется ввиду, что у асинхронных двигателей частота вращения магнитного поля статора всегда больше частоты вращения ротора. Работают асинхронные двигатели, как понятно из определения, от сети переменного тока.

Устройство

 

На рисунке: 1 - вал, 2,6 - подшипники, 3,8 - подшипниковые щиты, 4 - лапы, 5 - кожух

вентилятора, 7 - крыльчатка вентилятора, 9 - короткозамкнутый ротор, 10 - статор, 11 - коробка выводов.

Основными частями асинхронного двигателя являются статор (10) и ротор (9).

Статор имеет цилиндрическую форму, и собирается из листов стали. В пазах сердечника статора уложены обмотки статора, которые выполнены из обмоточного провода. Оси обмоток сдвинуты в пространстве относительно друг друга на угол 120°. В зависимости от подаваемого напряжения концы обмоток соединяются треугольником или звездой.

Роторы асинхронного двигателя бывают двух видов: короткозамкнутый и фазный ротор.

Короткозамкнутый ротор представляет собой сердечник, набранный из листов стали. В пазы этого сердечника заливается расплавленный алюминий, в результате чего образуются стержни, которые замыкаются накоротко торцевыми кольцами. Эта конструкция называется "беличьей клеткой". В двигателях большой мощности вместо алюминия может применяться медь. Беличья клетка представляет собой короткозамкнутую обмотку ротора, откуда собственно название.

Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, которая практически не отличается от обмотки статора. В большинстве случаев концы обмоток фазного ротора соединяются в звезду, а свободные концы подводятся к контактным кольцам. С помощью щёток, которые подключены к кольцам, в цепь обмотки ротора можно вводить добавочный резистор. Это нужно для того, чтобы можно было изменять активное сопротивление в цепи ротора, потому что это способствует уменьшению больших пусковых токов.

  Принцип работы

При подаче к обмотке статора напряжения, в каждой фазе создаётся магнитный поток, который изменяется с частотой подаваемого напряжения. Эти магнитные потоки сдвинуты относительно друг друга на 120°, как во времени, так и в пространстве. Результирующий магнитный поток оказывается при этом вращающимся.

Результирующий магнитный поток статора вращается и тем самым создаёт в проводниках ротора ЭДС. Так как обмотка ротора, имеет замкнутую электрическую цепь, в ней возникает ток, который в свою очередь взаимодействуя с магнитным потоком статора, создаёт пусковой момент двигателя, стремящийся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Когда он достигает значения, тормозного момента ротора, а затем превышает его, ротор начинает вращаться. При этом возникает так называемое скольжение.

Скольжение (s) - это величина, которая показывает, насколько синхронная частота n₁ магнитного поля статора больше, чем частота вращения ротора n₂, в процентном соотношении.

Скольжение это крайне важная величина. В начальный момент времени она равна единице, но по мере возрастания частоты вращения n₂ ротора относительная разность частот n₁-n₂ становится меньше, вследствие чего уменьшаются ЭДС и ток в проводниках ротора, что влечёт за собой уменьшение вращающего момента. В режиме холостого хода, когда двигатель работает без нагрузки на валу, скольжение минимально, но с увеличением статического момента, оно возрастает до величины s_кр-критического скольжения. Если двигатель превысит это значение, то может произойти так называемое опрокидывание двигателя, и привести в последствии к его нестабильной работе. Значения скольжения лежит в диапазоне от 0 до 1, для асинхронных двигателей общего назначения оно составляет в номинальном режиме - 1 - 8 %.

Как только наступит равновесие между электромагнитным моментом, вызывающим вращение ротора и тормозным моментом создаваемым нагрузкой на валу двигателя процессы изменения величин прекратятся.

Выходит, что принцип работы асинхронного двигателя заключается во взаимодействии вращающегося магнитного поля статора и токов, которые наводятся этим магнитным полем в роторе. Причём вращающий момент может возникнуть только в том случае, если существует разность частот вращения магнитных полей.

. 

Конструкция асинхронного электродвигателя

Трехфазный асинхронный электродвигатель, как и любой электродвигатель, состоит из двух основных частей - статора и ротора. Статор - неподвижная часть, ротор - вращающаяся часть. Ротор размещается внутри статора. Между ротором и статором имеется небольшое расстояние, называемое воздушным зазором, обычно 0,5-2 мм.

Статор асинхронного двигателя

Ротор асинхронного двигателя

Статор состоит из корпуса и сердечника с обмоткой. Сердечник статора собирается из тонколистовой технической стали толщиной обычно 0,5 мм, покрытой изоляционным лаком. Шихтованная конструкция сердечника способствует значительному снижению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. Обмотки статора располагаются в пазах сердечника.

Корпус и сердечник статора асинхронного электродвигателя

Конструкция шихтованного сердечника асинхронного двигателя

Ротор состоит из сердечника с короткозамкнутой обмоткой и вала. Сердечник ротора тоже имеет шихтованную конструкцию. При этом листы ротора не покрыты лаком, так как ток имеет небольшую частоту и оксидной пленки достаточно для ограничения вихревых токов.

Принцип работы. Вращающееся магнитное поле

Принцип действия трехфазного асинхронного электродвигателя основан на способности трехфазной обмотки при включении ее в сеть трехфазного тока создавать вращающееся магнитное поле.

Вращающееся магнитное поле - это основная концепция электрических двигателей и генераторов.

Вращающееся магнитное поле асинхронного электродвигателя

Частота вращения этого поля, или синхронная частота вращения прямо пропорциональна частоте переменного тока f₁ и обратно пропорциональна числу пар полюсов р трехфазной обмотки.

,

• где n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,

• f₁ – частота переменного тока, Гц,

• p – число пар полюсов

Концепция вращающегося магнитного поля

Чтобы понять феномен вращающегося магнитного поля лучше, рассмотрим упрощенную трехфазную обмотку с тремя витками. Ток текущий по проводнику создает магнитное поле вокруг него. На рисунке ниже показано поле создаваемое трехфазным переменным током в конкретный момент времени

Составляющие переменного тока будут изменяться со временем, в результате чего будет изменяться создаваемое ими магнитное поле. При этом результирующее магнитное поле трехфазной обмотки будет принимать разную ориентацию, сохраняя при этом одинаковую амплитуду.

Магнитное поле создаваемое трехфазным током в разный момент времени

Ток протекающий в витках электродвигателя (сдвиг 60°)

Короткозамкнутый ротор асинхронного двигателя

По этому принципу также работает асинхронный электродвигатель. Вместо рамки с током внутри асинхронного двигателя находится короткозамкнутый ротор по конструкции напоминающий беличье колесо. Короткозамкнутый ротор состоит из стержней накоротко замкнутых с торцов кольцами.

Короткозамкнутый ротор "беличья клетка" наиболее широко используемый в асинхронных электродвигателях (показан без вала и сердечника)

Трехфазный переменный ток, проходя по обмоткам статора, создает вращающееся магнитное поле. Таким образом, также как было описано ранее, в стержнях ротора будет индуцироваться ток, в результате чего ротор начнет вращаться. На рисунке ниже Вы можете заметить различие между индуцируемыми токами в стержнях. Это происходит из-за того что величина изменения магнитного поля отличается в разных парах стержней, из-за их разного расположения относительно поля. Изменение тока в стержнях будет изменяться со временем.

Остановить

Вращающееся магнитное поле пронизывающее короткозамкнутый ротор

Магнитный момент действующий на ротор

Скольжение асинхронного двигателя. Скорость вращения ротора

Отличительный признак асинхронного двигателя состоит в том, что частота вращения ротора n₂ меньше синхронной частоты вращения магнитного поля статора n₁.

Объясняется это тем, что ЭДС в стержнях обмотки ротора индуцируется только при неравенстве частот вращения n₂1. Частота вращения поля статора относительно ротора определяется частотой скольжения n_s=n₁-n₂. Отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется относительной величиной s, называемой скольжением:

,

• где s – скольжение асинхронного электродвигателя,

• n₁ – частота вращения магнитного поля статора, об/мин,

• n₂ – частота вращения ротора, об/мин,

Скольжение асинхронного двигателя может изменяться в диапазоне от 0 до 1, т. е. 0—100%. Если s~0, то это соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя практически не испытывает противодействующего момента;

если s=1 — режиму короткого замыкания, при котором ротор двигателя неподвижен (n₂ = 0). Скольжение зависит от механической нагрузки на валу двигателя и с ее ростом увеличивается.

Скольжение, соответствующее номинальной нагрузке двигателя, называется номинальным скольжением. Для асинхронных двигателей малой и средней мощности номинальное скольжение изменяется в пределах от 8% до 2%.

Преобразование энергии

Асинхронный двигатель преобразует электрическую энергию подаваемую на обмотки статора, в механическую (вращение вала ротора). Но входная и выходная мощность не равны друг другу так как во время преобразования происходят потери энергии: на трение, нагрев, вихревые токи и потери на гистерезисе. Это энергия рассеивается как тепло. Поэтому асинхронный электродвигатель имеет вентилятор для охлаждения.

Подключение асинхронного двигателя Трехфазный переменный ток

Электрическая сеть трехфазного переменного тока получила наиболее широкое распространение среди электрических систем передачи энергии. Главным преимуществом трехфазной системы по сравнению соднофазной и двухфазной системами является ее экономичность. В трехфазной цепи энергия передается по трем проводам, а токи текущие в разных проводах сдвинуты относительно друг друга по фазе на 120°, при этом синусоидальные ЭДС на разных фазах имеют одинаковую частоту и амплитуду.

Трехфазный ток (разница фаз 120°)

Звезда и треугольник

Трехфазная обмотка статора электродвигателя соединяется по схеме "звезда" или "треугольник" в зависимости от напряжения питания сети. Концы трехфазной обмотки могут быть: соединены внутри электродвигателя (из двигателя выходит три провода), выведены наружу (выходит шесть проводов), выведены в распределительную коробку (в коробку выходит шесть проводов, из коробки три).

Фазное напряжение - разница потенциалов между началом и концом одной фазы. Другое определение: фазное напряжение это разница потенциалов между линейным проводом и нейтралью.

Линейное напряжение - разность потенциалов между двумя линейными проводами (между фазами).

Звезда	Треугольник	Обозначение
		Uл, Uф - линейное и фазовое напряжение, В,
		Iл, Iф - линейный и фазовый ток, А,
		S - полная мощность, Вт
		P - активная мощность, Вт

Внимание: Несмотря на то, что мощность для соединений в звезду и треугольник вычисляется по одной формуле, подключение одного и того же электродвигателя разным способом в одну и туже электрическую сеть приведет к потреблению разной мощности. При этом не правильное подключение электродвигателя, может привести к расплавлению обмоток статора.

Пример: Допустим электродвигатель был подключен по схеме "звезда" к трехфазной сети переменного тока U_л=380 В (соответственно U_ф=220 В) и потреблял ток I_л=1 А. Полная потребляемая мощность:

S = 1,73∙380∙1 = 658 Вт.

Теперь изменим схему соединения на "треугольник", линейное напряжение останется таким же U_л=380 В, а фазовое напряжение увеличится в корень из 3 раз U_ф=U_л=380 В. Увеличение фазового напряжения приведет к увеличению фазового тока в корень из 3 раз. Таким образом линейный ток схемы "треугольник" будет в три раза больше линейного тока схемы "звезда". А следовательно и потребляемая мощность будет в 3 раза больше:

S = 1,73∙380∙3 = 1975 Вт.

Таким образом, если двигатель рассчитан на подключение к трехфазной сети переменного тока по схеме "звезда", подключение данного электродвигателя по схеме "треугольник" может привести к его поломке.

Если в нормальном режиме электродвигатель подключен по схеме "треугольник", то для уменьшения пусковых токов на время пуска его можно соединить по схеме звезда. При этом вместе с пусковым током уменьшится также пусковой момент.

Подключение электродвигателя по схеме звезда и треугольник

Обозначение выводов статора трехфазного электродвигателя

Обозначение выводов обмоток статора вновь разрабатываемых трехфазных машин согласно ГОСТ 26772-85[2]

Схема соединения обмоток, наименование фазы и вывода

Обозначение вывода

Подключение трехфазного асинхронного двигателя к однофазной сети с помощью фазосдвигающего элемента

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однофазного двигателя с пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Схемы подключения трехфазного асинхронного электродвигателя к однофазной сети

Схемы приведенные на рисунке "а", "б", "д" применяются, когда выведены все шесть концов обмотки. Электродвигатели с соединением обмоток согласно схемам "а", "б", "г" практически равноценны двигателям, которые спроектированы как однофазные электродвигатели с пусковой обмоткой. Номинальная мощность при этом состовляет 40-50% от мощности в трехфазном режиме, а при работе с рабочим конденсатором 75-80%.

Емкость рабочего конденсатора при частоте тока 50 Гц для схем "в", "д", "е" примерно рассчитывается соответственно по формулам:

• ,где C_раб - емкость рабочего конденсатора, мкФ,

• I_ном – номинальный (фазный) ток статора трехфазного двигателя, А,

• U₁ – напряжение однофазной сети, В.

Трехфазные асинхронные электродвигатели могут быть подключены к однофазной сети с помощью фазосдвигаюших элементов. При этом электродвигатель будет работать либо в режиме однос пусковой обмоткой (рисунок а, б, г) либо в режиме конденсаторного двигателя с постоянно включенным рабочим конденсатором (рисунок в, д, е).

Управление асинхронным двигателем Прямое подключение к сети питания

Использование магнитных пускателей позволяет управлять асинхронными электродвигателями путем непосредственного подключения двигателя к сети переменного тока.

С помощью магнитных пускателей можно реализовать схему:

• нереверсивного пуска: пуск и остановка;

• реверсивного пуска: пуск, остановка и реверс.

Использование теплового реле позволяет осуществить защиту электродвигателя от величин тока намного превышающих номинальное значение.

Реверсивная схема

Режимы работы асинхронных двигателей

Холостой ход. Если пренебречь трением и магнитными потерями в стали (идеализированная машина), то ротор асинхронного двигателя при холостом ходе вращался бы с синхронной частотой n=n₁ в ту же сторону, что и поле статора; следовательно, скольжение было бы равно нулю. Однако в реальной машине частота вращения ротора n при холостом ходе никогда не может стать равной частоте вращения n₁, так как в этом случае магнитное поле перестанет пересекать проводники обмотки ротора и в них не возникнет электрический ток. Поэтому двигатель в этом режиме не может развить вращающего моментаи ротор его под влиянием противодействующего момента сил трения начнет замедляться. Замедление ротора будет происходить до тех пор, пока вращающий момент, возникший при уменьшенной частоте вращения, не станет равным моменту, создаваемому силами трения. Обычно при холостом ходе двигатель работает со скольжением s = 0,2-0,5 %.

При холостом ходе в асинхронном двигателе имеют место те же электромагнитные процессы, что и в трансформаторе (обмотка статора аналогична первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора—вторичной обмотке). По обмотке статора проходит ток холостого хода I₀, однако его значение в асинхронном двигателе из-за наличия воздушного зазора между ротором и статором значительно больше, чем в трансформаторе (20—40 % номинального тока по сравнению с 3—10 % у трансформатора). Для уменьшения тока I₀ в асинхронных двигателях стремятся выполнить минимально возможные по соображениям конструкции и технологии зазоры. Например, у двигателя мощностью 5 кВт зазор между статором и ротором обычно равен 0,2—0,3 мм. Ток холостого хода, так же как и в трансформаторе, имеет реактивную и активную составляющие. Реактивная составляющая тока холостого хода (намагничивающий ток) обеспечивает создание в двигателе требуемого магнитного потока, а активная составляющая — передачу в обмотку статора из сети энергии, необходимой для компенсации потерь мощности в машине в этом режиме.

Нагрузочный режим. Чем больше нагрузочный момент на валу, тем больше скольжение и тем меньше частота вращения ротора. Увеличение скольжения при возрастании момента объясняется

Рис. 260. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя

следующим образом. При увеличении нагрузки на валу ротора он начинает тормозиться и частота его вращения т уменьшается. Но одновременно увеличивается частота n₁- n персечения вращающимся полем проводников обмотки ротора, а следовательно, э. д. с. Е₂, индуцированная в этой обмотке, ток в роторе I₂ и образованный им электромагнитный вращающий момент М. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока электромагнитный момент двигателя M не сравняется с нагрузочным моментом М_вн. При достижении равенства моментов М = М_вн торможение прекратится и двигатель будет снова вращаться с постоянной частотой вращения, но меньшей, чем до увеличения нагрузки. При уменьшении нагрузочного момента М_вн частота вращения ротора по той же причине будет увеличиваться. Обычно при номинальной нагрузке скольжение для двигателей средней и большой мощности составляет 2—4 %, а для двигателей малой мощности от 5 до 7,5 %.

При работе двигателя под нагрузкой по обмоткам его статора и ротора проходят токи i₁ и i₂. Частота тока в обмотках статора f₁ и ротора f₂ определяется частотой пересечения вращающимся магнитным полем проводников соответствующей обмотки. Обмотка статора пересекается магнитным полем с частотой n₁, а обмотка вращающегося ротора — с частотой n₁ — n. Следовательно,

f₂/f₁ = (n₁- n)/n₁= s или f₂ = f₁s (83)

Передача электрической энергии из статора в ротор происходит так же, как и в трансформаторе. Двигатель потребляет из сети электрическую мощность P_эл = 3U₁I₁cos?₁ и отдает приводимому им во вращение механизму механическую мощность Р_мх (рис. 260). В процессе преобразования энергии в машине имеют место потери мощности: электрические в обмотках статора ?Р_эл1 и ротора ?Р_эл2, магнитные ?Р_м от гистерезиса и вихревых токов в ферромагнитных частях машины и механические ?Р_мх от трения в подшипниках и вращающихся частей о воздух. Из статора в ротор вращающимся электромагнитным полем передается электромагнитная мощность P_эм роторе она превращается в механическую мощность ротораР’_мх. Полезная механическая мощность на валу двигателя P_мхменьше мощности Р’_мх на значение потерь мощности на трение ?Р_мх.

При возрастании механической нагрузки на валу двигателя увеличивается ток I₂. В соответствии с этим возрастает и ток I₁ в обмотке статора.
Электромагнитный момент М создается в асинхронном двигателе в результате взаимодействия вращающегося магнитного поля с током I₂, индуцируемым им в проводниках обмотки статора. Однако в создании его участвует не весь ток I₂, а только его активная составляющая I₂cos?₂ (здесь ?₂ — угол сдвига фаз между током I₂ и э. д. с. Е₂ в обмотке ротора). Поэтому

M = c_мФ_тI₂ cos?₂ (84)

где

Ф_т — амплитуда магнитного потока, созданного обмоткой статора;

c_м — постоянная, определяемая конструктивными параметрами данной машины и не зависящая от режима ее работы.

Режим пуска. В начальный момент пуска ротор двигателя неподвижен: скольжение s=1, магнитное поле пересекает ротор с максимальной частотой, индуцируя в нем наибольшую э. д. с. Е₂. Так как ток в роторе I₂ определяется значением э. д. с. Е₂, то в начальный момент пуска он будет наибольшим. Наибольшим будет и ток в статоре. Обычно пусковой ток двигателя в 5—7 раз больше номинального. Вращающий момент Мп при пуске называется пусковым. Он обычно меньше наибольшего момента, который может развить двигатель. Для двигателей различных типов и мощностей отношение М_п/М_ном = 0,7 – 1,8.

Тесты по теме «Электрические машины»

1.Что называется электрической машиной?

А).Устройство, предназначенное для электрификации и автоматизации производства.

Б).Электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока в другую.

В). Электромеханический преобразователь, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую и наоборот.

2.Дайте определение электродвигателя        

А).Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.

Б).Электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока в другую.

В). Машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.

3.Дайте определение генератора        

А).Машина, преобразующая механическую энергию в электрическую.

Б).Электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования одной системы переменного тока в другую.

В). Машина, преобразующая электрическую энергию в механическую.

4.Какие законы лежит в основе работы электрических машин?        

А).Законы  Ома

Б).Закон  Джоуля – Ленца

В).Законы электромагнитной индукции и электромагнитных сил.

5.При каком условии обмотки статора соединяются «треугольником»        

А). Uл=Uф

Б). Uл=√3Uф

В). I=UR

6.Какие  двигатели  получили наибольшее распространение?        

А).Двигатели постоянного тока

Б).Асинхронные электродвигатели

В).Синхронные электродвигатели

7.Может ли ротор АЭД вращаться синхронно с вращающимся магнитным полем статора?

А).да

Б).нет

В).не имеет значения

8.У какого двигателя обмотка ротора соединяется «звездой» при изготовлении?        

А). СЭД

Б). АЭД с короткозамкнутым ротором

В). АЭД с фазным ротором

9.При каком условии обмотки статора соединяются «звездой»        

А). Uл=Uф

Б). Uл=√3Uф

В). I=UR

10.Если происходит выработка электроэнергии, то это….

А).Двигатель

Б). Генератор

В) Трансформатор

11.Выберите схему асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором.

А                                          Б.                           В.                            

12. Кто впервые  сконструировал трёхфазный  асинхронный электродвигатель? Год.

А) Б.С. Якоби , 1834 г.

Б) М.О. Доливо-Добровольский, 1889 г.

В) П.Н. Яблочков, 1876 г.

 

13.Основные элементы асинхронного электродвигателя.

А) Статор, ротор, вал, обмотки

Б)  Станина, якорь

В)  Статор, якорь, подшипники

14.Из какого материала выполняют статор асинхронного электродвигателя

А) Электротехническая сталь

Б)  Константан

В) Никель

 

15.  Каким образом обычно соединяются обмотки фазного ротора?

А) Треугольником

Б) Звездой

В)  Последовательно

16. Если обмотка ротора подобна обмотке статора, то это-

А) Фазный ротор

Б) Короткозамкнутый ротор

В) «Беличья клетка»

17. Условие, необходимое для работы асинхронного электродвигателя

А) n1 = n2

Б) n1 ≠ n2

В) п1=0

18. Асинхронный электродвигатель-это двигатель работающий

А) На постоянном токе

Б)  На переменном токе

В) Дизельном топливе

19. Скольжение ротора- это

А) Отставание частоты вращения ротора от частоты вращения  магнитного поля статора

Б) Отставание частоты вращения статора от частоты вращения ротора

В) Скольжение обмотки ротора по обмотке статора

20. Скольжение ротора в момент пуска

А) равно нулю

Б) 100 %

В) может иметь любое значение

21. Вращающий момент асинхронного электродвигателя

А) Не зависит от номинальной мощности

Б)  Прямопропорционален номинальной мощности

В) Обратнопропорционален номинальной мощности

22. Из какого вещества выполняются стержни короткозамкнутого ротора?

А) Сталь

Б) Чугун

В) Медь

 23. Как укладывается обмотка асинхронного двигателя?

А) Наматывается на ротор

Б) Укладывается в пазы статора и ротора

В) Запаивается  в корпус статора

24. Устройство двигателя постоянного тока

А)  Индуктор и якорь

Б)   Статор и ротор

В)  якорь и ротор

25. Кто создал первый двигатель постоянного тока? Год

А) Б.С. Якоби , 1834 г.

Б) М.О. Доливо-Добровольский, 1889 г.

В) П.Н. Яблочков, 1876 г.

26. Герметичная электрическая машина- это

А)  Машина, защищённая от попадания  жидкости, пыли

Б)  Машина,  защищённая от попадания внутрь посторонних предметов

В) Защищённая  машина, исключающая возможность сообщения между её внутренним пространством и окружающей средой

27. Погружная электрическая машина – это

А) Машина,  защищённая от воспламенения

Б) Машина, предназначенная для эксплуатации в условиях  погружения в жидкость

В) Машина,  защищённая от попадания внутрь посторонних предметов.

 28. Назначение коллектора в двигателях постоянного тока

А)  Подвод постоянного тока к рабочей обмотке

Б)  Чтобы разрешить току проходить и исключить проблему со спутыванием проводов

В) Для выпрямления переменного тока

29. Схема включения двигателя постоянного тока  параллельного возбуждения

                                     А)                                   Б)                                     В)

30. Номинальный ток двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением I ном = 50 А. Чему равен ток обмотки возбуждения?

 А) 100 А.

 В) 50 А.