Основные понятия и термины по теме: машины постоянного тока; машины переменного тока; трансформаторы; электрические аппараты постоянного и переменного тока

Раздел 1. Выполнение наладки, регулировки и проверки электрических машин и аппаратов

Тема 1.1. Назначение, классификация и конструкция электрических машин и аппаратов.

Основные понятия и термины по теме: машины постоянного тока; машины переменного тока; трансформаторы; электрические аппараты постоянного и переменного тока.

План изучения темы (перечень вопросов, обязательных к изучению):

1. Назначение и классификация машин постоянного тока

2. Принцип действия машин постоянного тока

3. Назначение и классификация машин переменного тока

4. Принцип действия асинхронных и синхронных машин

5. Назначение и классификация трансформаторов

6. Принцип действия силовых трансформаторов

7. Назначение и классификация электрических аппаратов.

8. Контактная система электрических аппаратов. Классификация контактных групп

9. Обмотки электрических машин и трансформаторов

10. Способы охлаждения электрических машин и трансформаторов

11. Порядок выбора основных параметров электрических машин и аппаратов

12. Устройство и принцип действия трёх обмоточных и автотрансформаторов

Краткое изложение теоретических вопросов:

Электрические машины постоянного тока могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т.е. обладают свойством обратимости. В режиме генератора они преобразуют механическую энергию, подводимую к их валу от внешнего двигателя, в электрическую энергию постоянного напряжения, а в режиме двигателя осуществляют обратное преобразование: электрическую энергию постоянного тока преобразуют в механическую энергию, снимаемую с их вала.

 

Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а,б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e1 иe2, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е1 – е2.

. внешняя цепь замкнута, то по ней потечет ток, направленный от нижней щетки к потребителю и от него – к верхней щетке. Нижняя щетка оказывается положительным выводом генератора, а верхняя – отрицательным. При повороте витка на 180° проводники из зоны одного полюса переходят в зону другого полюса и направление ЭДС в них изменяется на обратное. Одновременно верхняя коллекторная пластина входит в контакт с нижней щеткой, а нижняя – с верхней, направление тока во внешней цепи не изменяется. Таким образом, коллекторные пластины не только обеспечивают соединение вращающего витка с внешней цепью, но и выполняют роль переключающегося устройства, т. е. являются простейшим механическим выпрямителем.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис.1), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f,которая направлена перпендикулярно i. Направление силы fопределяется правилом левой руки на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

 

Рис.1

Направление тока в проводниках витка изменяется на проти­воположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма (РМ).

Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Рассмотрение принципа действия показывает, что машина постоянного тока может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, т. е. обладает свойством обратимости.

Трансформатор представляет собой статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования переменного (синусоидального) тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Первые трансформаторы с разомкнутым магнитопроводом предложил в 1876 г. П. Н. Яблочков, который применял их для питания электрической «свечи». В 1885 г. венгерские ученые М. Дери, О. Блати, К. Циперновский разработали однофазные промышленные трансформаторы с замкнутым магнитопроводом. Трехфазные трансформаторы появились в 1889 – 1891 гг. (М. О. Доливо-Добровольский, Н. Тесла).

Трансформаторы широко применяются в разных областях электротехники, радиотехники, электроники, в устройствах измерения, автоматического управления и регулирования.

Для лучшего понимания теории работы трансформаторов необходимо повторить основные законы электротехники (Кирхгофа, электромагнитной индукции, полного тока), явления само- и взаимоиндукции.

 

Асинхронные машины — это машины переменного тока. Слово «асинхронный» означает несинхронный или неодновременный. При этом имеется в виду, что у асинхронных машин частота вращения магнитного поля отличается от частоты вращения ротора. Асинхронные машины, как и все электрические машины, обладают свойством обратимости, т. е. могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Асинхронные двигатели имеют значительные преимущества по своим свойствам, характеристикам и эксплуатационным данным перед двигателями других типов. Такие двигатели могут быть однофазными, двухфазными и трехфазными; наибольшее распространение имеют трехфазные двигатели, которые в основном и рассматриваются в данной главе. Асинхронные генераторы почти не применяются, так как их характеристики значительно хуже, чем у синхронных генераторов.

Принцип действия. Пусть три фазы обмотки статора подключены к трехфазной сети и сдвинуты относительно друг друга в пространстве вдоль окружности статора на равные углы (120°).

Образуется вращающееся магнитное поле, которое пересекает проводники обмоток ротора и по закону электромагнитной индукции наводит в них ЭДС e=Blv. На рис. 3.12, а показано, что поле вращается по часовой стрелке. Для определения направления индуцированной ЭДС можно представить, что поле неподвижно, а проводник перемещается влево.

Тогда, применяя правило правой руки, находим, что ЭДС направлена «на нас» (точка). Если цепь обмотки замкнута, то по проводнику течет ток того же направления (рис. 3.12,б). На рис. 3.12, в показан проводник в магнитном поле c индукцией В, по которому протекает ток I.

Пользуясь правилом левой руки, находим направление силы f = BlI,действующей на проводник. Сила f и момент направлены согласно с направлением вращения магнитного поля.

Частота вращения ротора п всегда меньше частоты вращения поля п1,т. е. ротор «отстает» от вращающегося поля, – только при этом условии в проводниках ротора наводится ЭДС, протекает ток и создается вращающий момент.

Электрическим аппаратом называют электротехническое устройство, предназначенное для регулирования, контроля и защиты источников электрической энергии и электрических приемников, а также для контроля и регулирования различных электрических процессов. По назначению их подразделяют на аппараты оперативного отключения (включения), защитные — аварийного отключения (включения), пускорегулирующие и контролирующие.

Оперативные аппараты служат для подключения или отключения определенной установки обслуживающим ее персоналом. Такие аппараты часто называют коммутирующими. К ним относят различные рубильники, выключатели, контакторы и т. д. Защитные аппараты аварийного отключения служат для ограничения амплитуды аварийных токов и длительности их протекания. В результате воздействия таких токов перегреваются обмотки электрических машин, шины, кабели и другие токопроводы, нарушается электрическая изоляция, обгорают и плавятся контактные поверхности электрических аппаратов. Динамические удары вызывают повреждение шин, изоляторов, обмоток электрических машин, реакторов, трансформаторов. К защитным аппаратам относят различные автоматические выключатели и плавкие предохранители. Выключатели снабжены необходимым приводом (ручным или электрическим) и дугогасительным устройством, обеспечивающим гашение электрической дуги, возникающей между контактами при их размыкании. Пускорегулирующие аппараты предназначены для осуществления пуска, регулирования частоты вращения, напряжения и тока электрических машин. К ним относятся контакторы, пускатели, командоконтроллеры.

 

Лабораторные работы

- Исследование режимов работы электромагнитного контактора постоянного тока.

- Исследование режимов работы трехфазного асинхронного двигателя методом непосредственной нагрузки

- Определение режима работы синхронного двигателя

- Выбор плавкой вставки для предохранителя

Задания для самостоятельного выполнения

Изучите конструкцию автотрансформаторов и регуляторов напряжения.

Начертите схемы включения однофазного автотрансформатора.

Изучите конструкцию высоковольтных выключателей нагрузки и короткозамыкателей

Форма контроля самостоятельной работы:

- устный опрос, проверка конспекта и таблиц.

Вопросы для самоконтроля по теме:

1. Почему сердечник трансформатора выполняют из электротехнической стали?

1) Для уменьшения тока холостого хода.

2) Для уменьшения намагничивающей составляющей тока холостого хода.

3) Для уменьшения активной составляющей тока холостого хода.

4) Для улучшения коррозийной стойкости

2. Как обозначаются начала первичной обмотки трехфазного трансформатора?

1) a, b, c 2) x, y, z 3) A, B, C 4) X, Y, Z

3. На каком законе электротехники основан принцип действия трансформатора?

1) На законе электромагнитных сил.                 2) На законе Ома.

3) На законе электромагнитной индукции.     4) На первом законе Кирхгофа.

5) На втором законе Кирхгофа

4. Какой рисунок соответствует работе асинхронной машины в режиме электромагнитного тормоза?

M эм Mэм Рис. 2 Рис.3 Mэм

         n1 n1 n1n2< n1n2>n1n2

 

5. Какой из асинхронных двигателей одинаковой мощности имеет большую скорость холостого хода?

1) Однофазный.    2) Двухфазный.

3) Трехфазный.      4) Конденсаторный.

6. Во сколько раз уменьшится пусковой ток трехфазного асинхронного двигателя при соединении фаз в звезду вместо треугольника?

1) √2         2) √ 3        3) 2            4) 3

7. В каком режиме работают асинхронные электродвигатели подъемно-транспортных механизмов

1) кратковременный.                     2) продолжительный.

3) повторный.                                  4) повторно-кратковременный.

8. Согласно действующим стандартам, если допустимая степень искрения в паспорте машины не указана, то при номинальной нагрузки она не должна превышать:

1) степень 1 1/2;                  2) степень 1 1/4;         3) степень 1                        4) степень 2