Основные понятия. Указания к выполнению самостоятельной работы

Указания к выполнению самостоятельной работы

Студенты выполняют самостоятельную работу по варианту, указанному в следующей таблице, при этом номер варианта принимается по последнему номеру в зачетной книжке (в таблице приняты следующие обозначения: первые две цифры – номер задачи; цифра через тире – вариант задачи):

№ варианта	Машины постоянного тока	Трансформаторы	Синхронные машины	Асинхронные двигатели
генераторы	двигатели	однофазные	трехфазные	генераторы	двигатели
	1.1-5	1.6-2	1.8-2	2.1-5	2.6-2	2.8-2	3.1-5	3.6-2	3.6-2	4.1-5
	1.2-3	1.7-3	1.10-2	2.2-3	2.7-1	2.9-2	3.2-3	3.5-5	3.7-2	4.2-3
	1.3-1	1.8-2	1.9-1	2.3-1	2.8-3	2.9-3	3.3-1	3.4-5	3.7-2	4.3-1
	1.2-1	1.7-3	1.8-2	2.4-5	2.5-3	2.8-2	3.1-1	3.6-1	3.7-3	4.2-1
	1.3-2	1.6-4	1.10-3	2.2-1	2.5-4	2.6-3	3.2-4	3.4-2	3.5-4	4.3-2
	1.5-4	1.7-5	1.9-1	2.1-2	2.7-5	2.9-1	3.3-3	3.5-3	3.6-5	4.6-4
	1.4-5	1.8-1	1.9-2	2.3-3	2.5-1	2.9-2	3.1-1	3.6-4	3.7-1	4.4-5
	1.3-1	1.6-5	1.7-4	2.2-1	2.6-5	2.7-4	3.2-3	3.5-5	3.6-2	4.3-1
	1.2-2	1.6-4	1.8-5	2.1-4	2.6-4	2.8-5	3.1-5	3.4-2	3.7-5	4.2-2
	1.3-3	1.7-2	1.10-3	2.4-5	2.5-2	2.7-3	3.2-4	3.4-1	3.6-3	4.3-3
	1.4-5	1.8-1	1.9-1	2.2-3	2.5-1	2.8-1	3.3-5	3.5-3	3.7-1	4.6-5
	1.2-3	1.6-5	1.9-2	2.1-1	2.6-5	2.9-2	3.2-3	3.6-2	3.7-3	4.2-3
	1.5-1	1.8-3	1.9-4	2.3-4	2.8-3	2.9-4	3.1-5	3.5-5	3.6-4	4.5-1
	1.1-2	1.7-3	1.8-5	2.2-5	2.7-3	2.8-5	3.2-3	3.4-4	3.5-2	4.1-2
	1.2-5	1.6-2	1.10-3	2.1-4	2.5-2	2.6-3	3.3-1	3.6-2	3.7-3	4.6-5
	1.3-1	1.7-1	1.9-4	2.4-3	2.7-1	2.9-4	3.1-4	3.4-3	3.5-5	4.3-1
	1.4-4	1.8-4	1.9-3	2.2-4	2.8-4	2.9-3	3.3-3	3.5-1	3.6-1	4.4-4
	1.5-2	1.6-5	1.7-4	2.1-1	2.6-5	2.7-4	3.2-4	3.6-4	3.7-3	4.6-2
	1.4-1	1.6-3	1.8-3	2.3-5	2.6-3	2.8-3	3.1-2	3.5-5	3.7-4	4.4-1
	1.2-3	1.7-2	1.10-1	2.2-2	2.5-2	2.7-1	3.1-3	3.4-5	3.5-5	4.2-3
	1.3-5	1.8-1	1.9-2	2.3-1	2.8-1	2.9-2	3.3-1	3.6-2	3.7-2	4.3-5
	1.1-1	1.6-3	1.9-4	2.4-4	2.6-3	2.9-4	3.1-2	3.4-3	3.7-4	4.1-1
	1.3-2	1.8-4	1.9-5	2.2-5	2.8-4	2.9-5	3.2-1	3.6-1	3.7-3	4.3-2
	1.5-1	1.7-5	1.8-3	2.3-4	2.8-5	2.9-3	3.3-4	3.5-2	3.6-4	4.5-1
	1.4-2	1.6-4	1.10-1	2.1-3	2.5-4	2.6-1	3.1-5	3.4-4	3.7-5	4.6-2
	1.2-3	1.7-2	1.9-3	2.4-5	2.7-2	2.9-3	3.3-3	3.4-3	3.5-3	4.2-3
	1.3-2	1.8-3	1.9-4	2.2-4	2.5-3	2.8-4	3.2-5	3.6-2	3.7-4	4.6-2
	1.5-4	1.6-4	1.7-5	2.1-3	2.7-4	2.9-5	3.1-1	3.4-5	3.7-1	4.5-4
	1.2-5	1.6-1	1.8-3	2.3-1	2.6-1	2.8-3	3.1-2	3.6-5	3.7-2	4.2-5
	1.3-1	1.6-4	1.7-4	2.2-3	2.6-4	2.9-4	3.3-4	3.5-1	3.6-1	4.3-1

Машины постоянного тока

Основные понятия

Отличительным признаком коллекторной машины постоянного тока является наличие в ней щеточно-коллекторного узла - механического преобразователя. Через коллектор и щетки осуществляется связь рабочей обмотки (обмотки якоря) с электрической нагрузкой, если машина является генератором, или с источником питания, если машина является двигателем.

Рабочая обмотка расположена на вращающейся части машины - якоре, и называется обмоткой якоря. Эта обмотка состоит из секций, определенным образом уложенных на сердечнике якоря и присоединенных к коллектору.

Обмотка якоря представляет собой замкнутую систему проводников и она, как правило, делается двухслойной. Секции обмотки могут быть одновитковыми или многовитковыми. Обмотки якоря могут быть волновыми и петлевыми, простыми, сложными и комбинированными.

ЭДС обмотки якоря пропорциональна основному магнитному потоку возбуждения Ф и частоте вращения

,

где -коэффициент, определяемый конструкцией обмотки якоря: числом пар полюсов , количеством пазовых сторон (проводников) , составляющих обмотку, и числом параллельных ветвей в обмотке а

.

Электромагнитный момент , возникающий на якоре при прохождении тока по обмотке якоря, Н×м,

,

где - коэффициент, определяемый конструкцией обмотки якоря:

Основной магнитный поток машины постоянного тока определяется выражением, Вб:

где -магнитная индукция в воздушном зазоре машины, Тл; - расчетная длина сердечника якоря, м; - полюсное деление, м; = 0,6 - 0,8 - коэффициент полюсного перекрытия.

Электромагнитный момент машины постоянного тока прямо пропорционален электромагнитной мощности

и обратно пропорционален частоте вращения якоря

.

Важным процессом, влияющим на рабочие свойства машины постоянного тока, является реакция якоря. В результате влияния этого процесса происходит искажение магнитного поля в воздушном зазоре и зубцовом слое якоря машины и ее размагничивание. Для ослабления нежелательного воздействия реакции якоря в машинах постоянного тока применяют добавочные полюсы, а в машинах значительной мощности - еще и компенсационную обмотку.

МДС возбуждения при номинальной нагрузке, достаточное для компенсации влияния реакции якоря, А:

,

где - МДС обмотки возбуждения в режиме холостого хода, А; — приращение МДС возбуждения, компенсирующее влияние якоря по поперечной оси, А.

Приращение МДС возбуждения, компенсирующее влияние якоря по поперечной оси:

,

где - коэффициент реакции якоря, определение которого ведется по графику (рис. 1); - МДС обмотки якоря на пару полюсов, А,

.

МДС обмотки возбуждения в режиме холостого хода:

,

где - магнитное напряжение воздушного зазора, А ( = - коэффициент магнитного насыщения магнитной цепи машины; - магнитная индукция в воздушном зазоре машины, Тл; = 1,2 -1,7 - коэффициент воздушного зазора, учитывает увеличение воздушного зазора, вызванное зубчатой поверхностью якоря.

Рис. 1. График : нижняя граница графика соответствует магнитной индукции в зубцах сердечника якоря = 1,7 Тл, а верхняя - = 2,3 Тл

Основной магнитный поток, возбуждающий машину постоянного тока, создается обмоткой возбуждения. В зависимости от способа включения этой обмотки относительно обмотки якоря, машины постоянного тока разделяются на машины независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения (рис. 2). Способ возбуждения в значительной степени влияет на свойства генераторов и двигателей постоянного тока.

Рис. 2. Способы возбуждения машин постоянного тока: а-независимое; б- параллельное; в- последовательное; г- смешанное

.

Для генераторов постоянного тока справедливо уравнение напряжений

где - сопротивление в цепи обмотки якоря: собственно обмотки якоря, обмотки добавочных полюсов и т.д.; -падение напряжения в щеточном контакте на пару щеток, зависит от марки примененных в машине щеток (в практических расчетах этими потерями можно пренебречь). Тогда

.

При оценке свойств генераторов постоянного тока используется понятие номинального изменения напряжения на выходе генератора при сбросе нагрузки:

,

где - напряжение на выходе генератора в режиме холостого хода.

Величина зависит от способа возбуждения генератора. Например, для генератора независимого возбуждения она составляет 5-10%.

Для двигателей постоянного тока уравнение напряжений имеет вид (если потерями в щеточном контакте пренебречь):

т.е. ЭДС индуцируемая в обмотке якоря, меньше подводимого напряжения Uна величину внутреннего падения напряжения в цепи якоря . Отсюда ток якоря

I_я=(U - E_я)/ .

Электромагнитный момент двигателя постоянного тока, Н×м,

= 9,55Р₂ / .

Момент на валу двигателя, т.е. полезный момент, Н×м:

М₂ = М - М₀ = 9,55Р₂/ ,

где М₀ - момент холостого хода; Р₂- полезная мощность двигателя,

,

где -КПД двигателя; - подводимая к двигателю электрическая мощность.

Коэффициент полезного действия машины постоянного тока

,

где - суммарные потери в машине.

Частота вращения якоря двигателя постоянного тока, об/мин,

.

При оценке регулировочных свойств двигателей постоянного тока наибольшее значение имеют механические характеристики = f(M).Важными показателями этих характеристик являются их жесткость и линейность.

Жесткость механической характеристики определяется углом наклона характеристики к оси ординат: чем меньше этот угол, тем менее жесткой (более мягкой) является эта характеристика.

У двигателей независимого (параллельного) возбуждения механические характеристики прямолинейны. Наиболее жесткой является естественная механическая характеристика, ее наклон к оси ординат лишь немногим меньше 90°. Для получения более мягких механических характеристик обычно в цепь якоря последовательно включают резистор, создающий в этой цепи добавочное сопротивление : с увеличением механические характеристики становятся «мягче», при этом характеристики остаются прямолинейными (рис.3).

Рис. 3. Схема включения (а)и механические характеристики (б) двигателя постоянного тока независимого возбуждения

Наиболее ответственным является процесс пуска двигателя постоянного тока. Так, начальный пусковой ток двигателя при непосредственном его включении в сеть может достигать опасных для двигателя значений, нарушающих работу щеточно-коллекторного узла и способного вызвать «круговой огонь» на коллекторе. Кроме того, такой ток создает чрезмерно большой пусковой момент, оказывающий на вращающиеся части электропривода ударное воздействие, способное механически разрушить их

В связи с этим большое практическое значение имеет решение задач по расчету пусковых реостатов двигателей постоянного тока. Применяют два метода расчета пусковых реостатов: графический и аналитический. В основе графического метода лежит пусковая диаграмма двигателя. В представленной на рис. 4 пусковой диаграмме с применением трехступенчатого пускового реостата Kl, K2 и КЗ являются контактами силовых контакторов, посредством которых осуществляется переключение ступеней реостата, а , и - резисторы ступеней пускового реостата.

Рис. 4. Пусковая диаграмма двигателя постоянного тока

с трехступенчатым пусковым реостатом

Значения начального пускового тока и тока переключений обычно принимают:

= (l,5...2,5) ; = (1,0...1,3) .

Отличительным признаком двигателей последовательного возбуждения является то, что ток возбуждения одновременно является и током нагрузки. По этой причине магнитный поток возбуждения в двигателе последовательного возбуждения зависит от нагрузки.

Механическая характеристика двигателя = f(M) для двигателей постоянного тока последовательного возбуждения будет нелинейной, и ее жесткость на разных ее участках неодинакова: при малых нагрузках частота вращения двигателя значительна и характеристика мягкая, с увеличением нагрузки характеристика становится более жесткой, частота вращения уменьшается, а при нагрузке, близкой к номинальной, характеристика становится еще более жесткой. Объясняется это тем, что при такой нагрузке магнитная система насыщена и величина магнитного потока становится практически не зависящей от величины тока нагрузки.

В связи с отсутствием уравнений, позволяющих рассчитать и построить механические характеристики двигателя последовательного возбуждения, для их построения пользуются универсальными естественными характеристиками (рис. 5), приводимыми в каталогах на двигатели постоянного тока последовательного возбуждения.

Рис. 5. Универсальные естественные характеристики двигателей

постоянного тока последовательного возбуждения

Универсальные естественные характеристики построены в относительных единицах: тока _* = ; момента М _* = ; частоты вращения .

Для построения естественной механической характеристики = f(M)двигателя последовательного возбуждения по универсальным характеристикам поступают следующим образом.

Задаются рядом относительных значений тока нагрузки _* и по рис. 5 определяют соответствующие относительные значения момента М_*и частоты вращения . Затем, используя номинальные значения тока якоря, момента и частоты вращения, определяют именованные значения тока (А), момента М (Н×м) и частоты вращения (об/мин). По полученным значениям строят механическую характеристику.

Задачи