Электрические машины постоянного тока

Изучение электрических машин постоянного ток надо начинать с их принципа работы и устройства. Учитывая, что машина постоянного тока обратима, т.е. может работать в режимах генератора и двигателя, изучение таких вопросов, как способы возбуждения, электромагнитный момент, э.д.с. и ряд других, необходимо рассматривать в сопоставлении для обоих режимов. Очень важно правильно понимать связь между напряжением на зажимах машины U, ее э.д.с. Е и падением напряжения R_яI_я в обмотке якоря для генераторного и двигательного режимов; для генератора E=U+R_яI_я; для двигателя U=E+R_яI_я.

Изучая работу машины постоянного тока в режиме двигателя, надо обратить особое внимание на пуск, регулирование частоты вращения и вращающий момент двигателя, а в режиме генератора – на самовозбуждение. Характеристики генераторов и двигателей дают наглядное представление об эксплутационных свойствах электрических машин.

После изучения данного раздела студент должен:

1) знать основные конструктивные элементы машин постоянного тока: статор, обмотку возбуждения, якорь, обмотку якоря; термины: щеточно-коллекторный узел, геометрическая и физическая нейтрали, реакции якоря, коммутация, противо-э.д.с.; классификацию машин постоянного тока по способу возбуждения; внешние характеристики генераторов постоянного тока всех способов возбуждения; механические характеристики двигателей постоянного тока всех способов возбуждения; способы пуска двигателей постоянного тока: способы регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока;

2) понимать назначение основных конструкционных элементов машин постоянного тока; принцип действия генератора и двигателя постоянного тока; уравнения электрического состояния генератора и двигателя постоянного тока; назначение пусковых и регулировочных сопротивлений; энергетические диаграммы генератора и двигателя постоянного тока;

3) уметь включать в сеть, регулировать скорость и реверсировать двигатель постоянного тока; отличать по внешнему виду машину постоянного тока от других типов электрических машин; ориентироваться в паспортных данных машин и определять номинальный момент; выбирать двигатель применительно к заданным техническим условиям.

Задача 1. В цепи (рис. 12) э. д. с. источников питания равны Е₁ и Е₂, а их внутренние сопротивления r₀₁ и г₀₂- Сопротивления в ветвях г₁, г₂, г₃, г₄. Определить силы токов во всех ветвях цепи и режимы работы обоих источников питания. Составить баланс мощ­ностей. Решить задачу методом контурных токов.

Вариант	Данные к задаче 1
Е1, В	Е2, В	r01, Ом	г02, Ом	г1, Ом	г2, Ом	г3, Ом	г4, Ом
			0,1	0,05
			0,1	0,05
			0,1	0,05	2,5			2,5
			0,1	0,05	2,5			2,5
			0,1	0,05			2,5
			0,15	0,1			2,5
			0,15	0,1	2,5			2,5
			0,15	0,1	2,5			2,5
			0,15	0,1
			0,15	0,1

Задача 2 В цепь синусоидального переменного тока (рис. 13) включены последовательно две катушки и емкость. Параметры ка­тушек и емкости известны: r₁, L₁; г₂, L₂; С. Кроме того, известна возникающая э. д. с. E_L1. Найти напряжение источника, полную, активную и реактивную мощности цепи, сдвиги фаз на участках ас и се. Построить топографическую векторную диаграмму. Включить в схему ваттметр для измерения активной мощности на участке ае.

Указание. Частота переменного тока f= 50 Гц.

Вариант	Данные к задаче 2
EL1, В	r1, Ом	r2, Ом	L1, Гн	L2, Гн	С, мкФ
				0,032	0,016
				0,0127	0,032
				0,016	0,0127
				0,016	0,032
				0,032	0,016
				0,0127	0,032
				0,016	0,032
				0,032	0,0127
				0,0127	0,032
				0,032	0,032

Задача 3 К трехфазной линии с линейным напряжением U_Л подключен симметричный трехфазный приемник, соединенный по схеме «треугольник» (рис. 14). Активное и реактивное сопротивле­ния фазы приемника соответственно равны г_Ф, х _Ф. Определить силу тока в фазах приемника и линейных проводах, а также Потребляе­мую приемником активную мощность в следующих режимах: а) в симметричном трехфазном; б) при обрыве одной фазы приемника; в) при обрыве линейного провода (вследствие сгорания плавкой вставки в предохранителе). Построить для всех трех случаев то­пографические диаграммы напряжений и на них показать векторы токов.

Вариант	Данные к задаче 3
UЛ, В	гФ, Ом	х Ф, Ом
			—4
			—8
			—15
			—6

Задача 4 Трехфазный трансформатор характеризуется сле­дующими данными: номинальная мощность S_Н; высшее линейное напряжение U_1Н; низшее линейное напряжение U_2Н; к. п. д. η_Н при номинальной нагрузке и cosφ₂=l; изменение напряжения ∆U % при номинальной нагрузке и cosφ₂=l; напряжение короткого замыка­ния и_к %; соединение обмоток Y/∆.

Определить: а) фазные напряжения первичной и вторичной обмоток при холостом ходе; б) коэффициент трансформации; в) но­минальные токи в обмотках трансформатора; г) мощность потерь холостого хода; д) активное и реактивное сопротивления фазы пер­вичной и вторичной обмоток; е) к. п. д. трансформатора при cosφ₂=0,8 и значениях нагрузки 0,6 и 0,8. Построить векторную диаграмму для одной фазы нагруженного трансформатора при ак­тивной нагрузке (cosφ₂=l).

Указание. Считать, что в опыте короткого замыкания мощность потерь распределяется между обмотками поровну.

Вариант	Данные к задаче 4
SН, кВ*А	U1Н, кВ	U2Н, В	ηН, %	∆U, %	ик, %
				98,5	3,5	5,0
				95,5	3,4	5,5
					3,3	4,5
					3,4	5,0
				96,5	3,2	4,5
				96,2	3,0	5,5
				96,5	2,9	5,0
				96,6	2,95	4,5
				95,2	3,8	5,5
				95,4	4,0	5,0

Задача 5 Трехфазный асинхронный электродвигатель с короткозамкнутым ротором питается от сети с линейным напряжени­ем 380 В. Величины, характеризующие номинальный режим элект­родвигателя: мощность на валу Р_2Н; частота вращения ротора n_2Н; коэффициент мощности cosφ_1Н; к. п. д. η_Н. Обмотки фаз статора соединены по схеме «звезда». Кратность критического момента от­носительно номинального Км=Мк/Мн.

Определить: а) номинальный ток в фазе обмотки статора; б) число пар полюсов обмотки статора; в) номинальное скольже­ние; г) номинальный момент на валу ротора; д) критический момент; е) критическое скольжение, пользуясь формулой

ж) значения моментов, соответствующие значениям скольжения; s_Н; s_K; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0 (по формуле п. е.); з) пусковой момент при снижении напряжения в сети на 10 %. Построить механичес­кую характеристику электродвигателя n=f(M).

Вариант	Данные к задаче 5
Р2Н, кВт	n2Н, мин-1	cosφ1Н	ηН, %	Км
	1,1		0,87	79,5	2,2
	1,5		0,88	80,5	2,2
	2,2		0,89	83,0	2,2
	3,0		0,84	83,5	2,2
	4,0		0,85	86,0	2,2
	5,5		0,86	88,0	2,2
	7,5		0,87	88,5	2,2
			0,89	88,0	1,8
			0,89	88,0	1,8
			0,90	90,0	1,8

Задача 6 Установленные на предприятии трехфазные асин­хронные двигатели потребляют суммарную активную мощность Р при среднем значении коэффициента мощности cosφ₁. Напряжение (линейное) в питающей сети Uл. Мощность потерь в питающих про­водах составляет в этих условиях 0,1 Р. Для снижения потерь в питающих проводах часть асинхронных двигателей заменяется синхронными, работающими в режиме перевозбуждения. В резуль­тате среднее значение коэффициента мощности предприятия повы­шается до cosφ₂ (φ₂>0). Активная мощность, приходящаяся на до­лю синхронных двигателей, составляет m % от Р, причем величина Р остается в сумме неизменной.

Определить: а) ток в линейных проводах питающей сети до установки синхронных двигателей и после нее; б) реактивную мощ­ность, потребляемую синхронными двигателями; в) ток, потребля­емый синхронными двигателями; г) величину и знак угла сдвига по фазе этого тока относительно напряжения; д) годовую эконо­мию энергий в питающих проводах (при двухсменной работе, уста­новленном числе часов работы в смену и числе рабочих дней в году). Построить векторную диаграмму (для одной фазы).

Вариант	Данные к задаче 6
Р2Н, кВт	U, В	cosφ1	cosφ2	m, %
			0,86	0,95	0,7
			0,87	0,96	0,5
			0,88	0,96	0,5
			0,85	0,95	0,5
			0,86	0,95	0,7
			0,88	0,96	0,7
			0,83	0,95	0,8
			0,84	0,95	0,8
			0,85	0,95	0,8
			0,84	0,95	0,8

Список литературы

1. Касаткин А.С. Электротехника: учеб. пособие для вузов/А.С. Касаткин, М.В. Немцов. – М.: Высшая школа, 2005. – 542 с.

2. И.А. Данилов, П.М. Иванов «Общая электротехника с основами электроники».- М. Высшая школа,2008.-663 с.

3. Савилов Г.В. Электротехника и электроника. Курс лекций. - Москва, 2008. – 324 с.

4. Рекус Г.Г. «Основы электротехники и электроники в задачах с решениями».- М. Высшая школа, 2005.- 445 с.