Электротехника -1

ЛЕКЦИЯ №16

ТЕМА: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Такое расположение выводов обмоток позволяет легко соединять с помощью специальных пластин обмотки статора звездой или треугольником.

Пересоединение обмотки статора позволяет использовать один и тот же двигатель при двух напряжениях. Например, если двигатель расчитан на работу при соединении обмоток статора звездой при 380 В, то он может развивать ту же мощность при тех же оборотах при напряжении 220 В при соединении обмоток статора треугольником.

Внутри статора помещается вращающаяся часть электродвигателя - ротор.

Ротор асинхронного двигателя также набирают из стальных штампованных листов в форме дисков. Насаженные на вал они образуют ротор имеющий форму цилиндра. По окружности диска выштамповывают отверстия, образующие при сборке ротора пазы в которые закладывают обмотку ротора.

По конструктивному исполнению обмотки ротора асинхронные двигатели подразделяют на двигатели с короткозамкнутым ротором и двигатели с фазным ротором.

Короткозамкнутая обмотка ротора образуется медными или латунными неизолированными стержнями, помещенными в пазы ротора. По торцам стержни соединяют медными короткозамыкающими кольцами. Такая короткозамкнутая обмотка отдельно от ротора имеет вид клетки, называемой «беличьим колесом».

Обмотку фазного ротора выполняют из изолированных проводников. В пазы ротора укладывают три фазные обмотки сдвинутые в пространстве на 1200. Обмотка ротора получается такой же как и обмотка статора.

Фазные обмотки ротора соединяют звездой, при этом их начала соединяют с контактными кольцами, насаженными на вал и изолированными как от вала, таки друг от друга. Контактные кольца вращаются вместе с валом. По ним скользят неподвижные графитовые щетки. Такое устройство позволяет обмотки замкнуть накоротко или подключить к обмоткам ротора пусковые трехфазные реостаты, которые позволяют снизитьвеличину пускового тока.

На схемах асинхронные двигатели изображают такими стандартными обозначениями:

Схема машины постоянного тока, показанная выше на рисунке, поясняет принцип работы генератора и двигателя постоянного тока.

На схеме показан один виток обмотки якоря и простейший коллектор в виде двух изолированных полуколец. При положении переключателя П в позиции 1 и вращении якоря в последнем наводится э.д.с., направление которой определяется по правилу правой руки. В цепи нагрузки R будет протекать ток, совпадающий по направлению с э.д.с.. При такой схеме машина работает в режиме генератора. При положении переключателя П в позиции 2 (первичный двигатель отключен) в якоре будет протекать ток, направление которого противоположно ранее рассмотренному. Взаимодействие тока якоря и магнитного поля вызовет появление вращающего момента. Якорь при этом будет вращаться в том же направлении, как и ранее, однако машина перейдет в режим работы электродвигателя. В обмотке якоря электродвигателя также наводится э.д.с., которая имеет направление, противоположное направлению тока якоря, и поэтому называется протпивоэлектродвижущей силой. При работе машины в качестве электродвигателя противо-э.д.с имеет меньшее значение, чем напряжение на зажимах, а при работе в качестве генератора, наоборот, э.д.с. машины выше, чем напряжение на ее зажимах, на величину падения напряжения в обмотке якоря.

Коллектор генератора служит для выпрямления напряжения и тока, протекающего во внешней цепи. При одном витке якоря и двух коллекторных полукольцах выпрямленный ток представляет собой пульсирующий ток одного направления. Для получения практически постоянного по величине тока необходимо увеличение числа секций обмотки якоря и соответственно числа коллекторных пластин.

Щетки в машинах постоянного тока располагают таким образом, чтобы они замыкали секции якоря, активные стороны которых в данный момент проходят нейтральную плоскость магнитного поля, то есть когда э.д.с. равна нулю.

Положение физической нейтральной плоскости магнитного поля зависит от нагрузки машины (при холостом ходе оно совпадает сположением геометрической нейтрали). В нагруженной машине взаимодействие тока якоря с магнитным полем полюсов искажает последнее (реакция якоря), что вызывает смещение физической нейтрали относительно геометрической. Поэтому во избежание замыканий секции якоря, где э.д.с. отлична отнуля, щетки смещают в генераторах по направлению вращения, а в двигателях - против направления. Ослабления реакции якоря также достигают, применяя дополнительные полюса. Их располагают между главными полюсами по геометрической нейтрали и включают таким образом, чтобы скомпенсировать влияние реакции якоря на магнитное поле полюсов.

Основные части машин постоянного тока - стальной цилиндрический корпус (6) (статор), на внутренней поверхности которого крепятся стальные сердечники электромагнитов (полюсы - 4, 5), а на боковых - подшипниковые щиты (1). Подвижная часть машины - якорь (3) - состоит из стального вала, на котором жестко закреплены сердечник, набранный из листовой электротехнической стали, и коллектор (7) в виде цилиндрического переключателя, собранного из медных пластин (ламелей), изолированных друг от друга слюдой (миканитом). По ламелям скользят неподвижные щетки (2).

Обмотка якоря состоит из секций изолированного провода, уложенных в пазы сердечника якоря и присоединенных к пластинам коллектора. Станина статора, его полюсы и сердечник якоря образуют магнитную цепь машины, одним из участков которой является воздушный зазормежду поверхностями сердечника якоря и полюсами статора. На сердечниках электромагнитов расположены обмотки возбуждения. Для правильного распределения магнитного потока по окружности якоря на концах сердечников укреплены стальные наконечники, охватывающие его.

В зависимости от способа соединения цепи возбуждения с цепью якоря машины постоянного тока подразделяются на машины с параллельным (шунтовым), последовательным и смешанным (компаундным) возбуждением. В некоторых случаях применяют независимое возбуждение от отдельного источника. Машины постоянного тока с параллельным и смешанным возбуждением используют как генераторы и электродвигатели, а машины с последовательным — только как электродвигатели.

Генераторы, в которых обмотка возбуждения получает питание от якоря, называют генераторами самовозбуждением. В обмотке такого генератора э.д.с. наводится за счет некоторого остаточного магнетизма полюсов. Регулирование э.д.с. генератора, как правило, производится изменением тока возбуждения с помощью реостата, включенного в цепь обмотки возбуждения. Основные номинальные параметры генератора: полезная мощность, напряжение на зажимах, ток нагрузки и

частота вращения указывают в заводском паспорте.

По конструкции электродвигатели в основном не отличаются от генераторов. При пуске электродвигателя необходимо ограничить пусковой ток, так как при неподвижном якоре -э.д.с. равна нулю. Это достигается последовательным включением реостата в цепь якоря. По мере выведения ступеней реостата двигатель набирает обороты, достигая номинальных. Для регулирования скорости электродвигателя с параллельным возбуждением служит шунтовой реостат, с помощью которого изменяется ток возбуждения, зависящий от напряжения сети, а не от нагрузки, следовательно, от нее не зависит и магнитный поток. В двигателе с последовательным возбуждением через обмотку возбуждения протекает ток якоря, следовательно, магнитный поток возрастает вместе с нагрузкой.

Отсюда следует, что с ростом нагрузки у двигателя с параллельным возбуждением частота вращения меняется незначительно, а с последовательным сильно.

Электродвигатели с последовательным возбуждением при малых оборотах, в частности при пуске, развивают большой вращающий момент, поэтому они широко применяются для привода механизмов, требующих большого первоначального момента (краны, электро-транспорт и т. д.). Недостатком этих двигателей является резкое повышение частоты вращения при уменьшении нагрузки. При снижении нагрузки до 25 % от номинальной число оборотов возрастает до опасных пределов, и двигатель может пойти «вразнос». Поэтому такие машины нельзя подключать к сети без нагрузки.

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА

Привод - система, для преобразования одного вида энергии в механическую энергию рабочего механизма.

В настоящее время в качестве двигателя для привода производственных механизмов используют в основном электродвигатели из-за их надежности, высокого кпд и простоты управления.

Привод, осуществленный с помощью электродвигателя, называют электрическим (электроприводом). В зависимости от числа механизмов, приводимых одним двигателем, или от числа двигателей в одном механизме приводы бывают групповыми, однодвигательными и многодвигательными.

Независимо от условий работы и вида рабочих механизмов электродвигатели для привода выбирают согласно общим правилам. Эти правила таковы. Должно соблюдаться:

-полное соответствие между механическими свойствами двигателя и требованиями производственного механизма;

-мощность двигателя в процессе работы должна использоваться максимально;

-параметры двигателя (напряжение, частота) должны соответствовать параметрам сети;

-конструктивное исполнение двигателя должно соответствовать условиям окружающей среды

(влажность, пожароопасность, взрывоопасность и др.); - двигатель должен быть удобен и безопасен для обслуживающего персонала.

Правильный выбор электродвигателя обеспечивает стабильную и экономичную работу механизма.

Если не выдвигаются специальные требования к регулированию частоты вращения, значению пускового момента или пускового тока, то при выборе двигателя необходимо отдавать предпочтение асинхронным двигателям с короткозамкнутым ротором. Они просты по устройству. легко управляемы и надежны в эксплуатации.

Мощность электродвигателей определяется нагрузкой производственных механизмов и режимом их работы. В зависимости от характера и продолжительности рабочего цикла установлены три основные режима работы: продолжительный, кратковременный и повторно-кратковременный.

Если во время рабочего цикла мощность остается постоянной, то режим называют режимом постоянной нагрузки, а если она изменяется - режимом переменной нагрузки.

Управление электроприводом состоит в пуске, останове, изменении направления вращения и регулировании частоты вращения электрических двигателей. Важным условием обеспечения правильной и непрерывной работы электроприводов является выбор схемы управления. Используют несколько способов управления.

Ручное управление осуществляется с непосредственным участием человека, путем использования неавтоматических коммутационных аппаратов (прерывателей, контроллеров и др.).

Автоматическое управление осуществляется с использованием аппаратов автоматического действия (реле, контакторов и др.). Автоматическое управление облегчает труд людей, повышает производительность труда, позволяет управлять механизмами дистанционно.

Среди аппаратов дистанционного управления электроприводами чаще всего используют электромагнитные контакторы и пускатели.

Пускатели представляют собой сочетание электромагнитного контактора с биметаллическим термическим реле, смонтированными к общей коробке и укомплектованными кнопками управления «Пуск» и «Стоп».

Управлять электроприводами можно и бесконтактными аппаратами. Они состоят из магнитных (трансформаторов, дросселей, усилителей), полупроводниковых (диодов, транзисторов, тиристоров и др.) и вспомогательных (резисторов, конденсаторов и др.) элементов. В таких аппаратах нет быстро изнашивающихся механических деталей, они обладают большим быстродействием, но стабильность их работы зависит от температуры.

Цепи с бесконтактными аппаратами сложнее и дороже. Требуется более дорогая и сложная аппаратура настройки и выявления повреждений. Их используют преимущественно в регулируемых приводах при большой частого включений и в приводах, работающих во взрывоопасной среде.

СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ

Синхронные машины, используют в качестве генераторов и двигателей. Все генераторы переменного тока - это синхронные машины. Синхронные двигатели применяют реже асинхронных и только в тех случаях, когда при заданной мощности и режиме работы они оказываются экономичнее, чем асинхронные., Синхронные машины, так же как и асинхронные, состоят из статора и ротора.. В пазах статора

подобно тому, как это сделано у асинхронного двигателя, уложена трехфазная силовая обмотка. На роторе размещена обмотка возбуждения . Она соединена через кольца и щетки с источником постоянного тока. Мощность, необходимая для возбуждения, составляет 0,3 - 3 % от номинальной мощности синхронной машины.

Постоянный магнитный поток, создаваемый током ротора, замыкается через сталь ротора, воздушные зазоры и сердечник статора. Если ротор вращается, то создается вращающееся магнитное поле. Пересекая проводники фазных обмоток статора, это поле наводит в них переменную э.д.с...

Частота вращения ротора поддерживается постоянной, поэтому изменение э.д.с. во времени определяется только распределением магнитной индукции вдоль окружности ротора. Это распределение носит синусоидальный характер, поэтому и в фазных обмотках статора индуцируются синусоидальные э.д.с., сдвинутые по фазе одна относительно другой на одну треть периода (1200 ). Если на роторе р пар полюсов, то за один его оборот p раз изменяется э.д.с. и частота этого изменения:

f = pn/60.

Для получения частоты 50 Гц двухполюсный генератор (р=1) должен делать 3000об/мин.

При подключении обмотки статора к трехфазной нагрузке проходящий по ней ток создает вращающее магнитное поле с частотой вращения, равной частоте вращения ротора.

Суммарное магнитное поле вращается с той же частотой, с какой вращается ротор. Поэтому машина называется синхронной.

Обмотка возбуждения генератора через кольца и щетки получает питание либо от генератора постоянного тока (возбудителя), связанного с ротором синхронного генератора, либо от выпрямителей,

подключаемых к сети. Для мощных синхронных генераторов применяют так называемую бесщеточную систему возбуждения. В этой системе в качестве возбудителя используют специальный синхронный генератор, у которого обмотка якоря расположена на роторе машины, а выпрямитель укреплен непосредственно на валу. При этом в цепи обмотки генератора отсутствуют скользящие контакты, что повышает надежность системы.

Устройство синхронных двигателей аналогично устройству трехфазного синхронного генератора. Трехфазную статорную обмотку подключают к сети трехфазного переменного тока, а в обмотку возбуждения подают постоянный ток.

Частота вращения ротора синхронного двигателя равна частоте вращения магнитного поля, то есть не зависит от нагрузки, то есть двигатель имеет абсолютно жесткую механическую характеристику.

Для разгона синхронного двигателя применяют асинхронный пуск. Для этого на роторе имеется специальная короткозамкнутая пусковая обмотка: медные или латунные стержни, заложенные в полюсные наконечники и замкнутые накоротко торцевыми кольцами. После разгона ротора до частоты вращения, близкой к синхронной, в обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор начинает вращаться с синхронной частотой.

Достоинством синхронных двигателей помимо абсолютно жесткой механической характеристики является их способность работать с cos = 1 и даже с опережающим током, то есть генерировать реактивную мощность. Для этого увеличивают возбуждение двигателей.

Применение синхронных двигателей позволяет повысить cos в системе и тем самым снизить потери при передаче электроэнергии.

Для повышения cos в системе применяют также синхронные компенсаторы - перевозбужденные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие вхолостую.

Основным недостатком синхронных двигателей является потребление от источника как переменного. Так и постоянного тока.

Контрольные задания:

1.Внимательно изучить предложенную тему.

2.Составить конспект по изученному материалу.

3.Углубленно изучить материал, используя Интернет-ресурсы.

4.Написать отчет о проделанной работе .