Алексеев В.В. Краткий конспект лекций ''Электрические машины''

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

_____________________________________________________

__________________________

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

Санкт-Петербургский государственный горный институт

им. Г.В. Плеханова (технический университет)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГОРНЫЙ

ИНСТИТУТ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

им. Г.В. Плеханова

Алексеев В.В.

КРАТКИЙ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

''ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ''

Часть I, II

для специальности ЭР

Санкт-Петербург' 2005

- Электрической машиной (ЭМ), называется электромеханический

преобразователь (ЭМП), служащий для преобразования механической

энергии в электроэнергию и обратно (генератор и двигатель).

Электрический двигатель (ЭД) является частью электромеханической системы (ЭМС,

содержащей кроме ЭМП, САР и силовой преобразователь) – электрического привода (ЭП).

Кроме основного назначения ЭМ имеют и другие применения: 1. Электромашинные

преобразователи. 2. Электромашинные усилители (устройства 1 и 2 в настоящее время

вытесняются полупроводниковыми преобразователями). 3. синхронные компенсаторы.

- Классификация электрических машин

Рис. 1. Классификация электрических машин по принципу действия

Универсальные машины (Рис.1), в отличие от машин постоянного тока

(МПТ), работают на постоянном и на переменном токе. Это машины

небольшой мощности (как и реактивные синхронные двигатели).

Бесколлекторные машины могут быть как многофазными, так и

однофазными. ЭМ имеют мощность от нескольких ватт до сотен МВт и

разнообразные конструктивных формы, соответствующие

различным условиям

работы и предъявляемым требованиям.

Курс, помимо ЭМ, предусматривает изучение трансформаторов.

Трансформатор (Тр) является статическим преобразователем

электроэнергии переменного тока при f, P = const (КПД близок к 1), что дает

переменному току преимущества, при передаче энергии на большие

расстояния. Отсутствие вращающихся частей придает трансформатору иную,

чем у ЭМ конструктивную форму. Однако его принцип

работы также как

ЭМ основан на явлении электромагнитной индукции.

- Основные законы электромеханики

Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не может

осуществляться с КПД, равным 100%.

Второй закон. Все электрические машины обратимы, т. е. одна и та же

машина может работать в режимах двигателя и генератора.

Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии

осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга, а

результирующее поле в машине создается полями

статора и ротора. Ротор

может вращаться с той же скоростью, что и поле, или с другой скоростью,

однако поля ротора и статора в установившемся режиме неподвижны

относительно друг друга.

Изложение курса электрических машин основано на знаниях законов электрических и

магнитных явлений.

- Первый закон, лежащий в основе работы ЭД – закон Ампера

(электромагнитной силы), определяющий силу F

эм

, действующую на

конечный участок проводника l с током i, находящегося в магнитном поле

В случае однородного магнитного поля и прямолинейного проводника,

перемещающегося перпендикулярно магнитным силовым линиям (ϕ=90

выражения закона Ампера упрощается F

эм

=B l i.

Второй закон

, лежащий в основе работы ЭМ - закон электромагнитной

индукции в известной формулировке Максвелла e= –dФ/dt.

Одним из законов используемых при проектировании является закон

магнитной цепи, аналогичный закону Ома для электрической цепи

где Ф и F – магнитный поток и м.д.с., w – число витков и i – ток в

проводниках катушки, dl – элементарное

перемещение в магнитном поле,

и S

– магнитная проницаемость и нормальное сечение трубки магнитной индукции,

– магнитное сопротивление цепи с n участками.

- Согласно закону электромагнитной индукции

в более удобной

формулировке Фарадея, если внешней силой F перемещать проводник в

магнитном поле, например, слева направо (рис. 2) перпендикулярно вектору

магнитной индукции В, то в проводнике будет наводиться ЭДС

E=B l v,

где B – магнитная индукция, Тл; l — активная длина проводника, т.е. длина

его части, находящейся в магнитном поле, м;

v—скорость движения

проводника в плоскости, нормальной к B, в направлении перепендикулярном к

l, м/сек; Е— электродвижущая сила, индуктируемая в проводнике, [В].

(В случае однородного магнитного поля и прямолинейного проводника,

перемещающегося перпендикулярно магнитным силовым линиям поля (угол

ϕ=90

- Принцип действия

и общая конструктивная схема машин одного типа

одинакова (рис. 1.7).

Принцип действия МПТ

ЭМ разных типов связаны общими законами в основе действия. Рассмотрим

процесс работы простейшей машины постоянного тока коллекторного типа (рис.

1.1) в режиме генератора (ГПТ). Перейдем к вращательному движению

проводников ротора в виде витка abcd (якорь) между двумя полюсами

постоянного

магнита (N и S) (индуктор).

При равномерном вращении закон индукции можно записать в виде

e=B l v sin

, (1.1)

где

- угол между направлением вектора магнитной индукции В и нормалью к

плоскости витка abcd, непрерывно меняющийся при вращении якоря.

Т.о., ЭДС и ток в обмотке якоря (ОЯ) МПТ переменные (см. рис.1.2а).

Для получения неизменной по знаку ЭДС генератора (рис.1.2,б) концы

витка присоединены к двум пластинам (полукольцам), закрепленным на

валу и

изолированным друг от друга. Эти пластины образуют важную часть

машины – коллектор. К щеткам А и В присоединена нагрузка генератора

.sin

dliBF

эм

∫

⋅⋅⋅=

μμ

⋅

===

∑

∫∫

(рис.1.1). В процессе работы машины коллектор вращается вместе с валом, а

щетки А и В остаются неподвижными.

Рис1.1. Простейшая модель МПТ Рис.1.2. График тока якоря(а), ток I нагрузки(б)

При такой конструкции под щеткой B всегда находится пластина, соединенная с

проводником, расположенным под северным полюсом, а под щеткой A—пластина,

соединенная с проводником, расположенным над южным полюсом. В результате

полярность, щеток в процессе работы ГПТ остается неизменной. Щетка А имеет

полярность «плюс» (из нее ток выходит во внешнюю цепь), а щетка В—«минус».

Благодаря коллектору переменный ток обмотки якоря во внешней цепи

ГПТ становится неизменным по направлению (пульсирующим).

Пульсация величины тока во внешней цепи, может быть уменьшена, если применить

обмотку якоря из нескольких витков, каждый из которых присоединен к соответствующей

паре коллекторных пластин. Так, например, при расположении на якоре ГПТ двух витков,

сдвинутых в пространстве под углом 90° (рис. 1.3), пульсации тока уменьшаются (рис. 1.4).

Рис.1.3. Модель машины постоянного Рис.1.4. График выпрямленного тока тока

двумя витками на якоре генератора по рис.1.3.

Практически уже при 16 витках в обмотке (16 пластин в коллекторе) пульсации

становятся незаметными и

ток во внешней цепи (в нагрузке) ГПТ можно считать

постоянным не только по направлению, но и по величине.

В режиме двигателя (ДПТ), к щеткам А подводят напряжение U

(рис.1.5,б). Ток ДПТ

I согласно закону Ампера взаимодействуя с полем статора

создаст электромагнитную силу F

эм

, определяющую электромагнитный момент

и скорость вращения n. Направление момента электродвигателя неизменно, так

как одновременно с переходом каждого проводника обмотки якоря из зоны

одного полюса в зону другого изменяется направление тока в проводниках.

Таким образом,

главной особенностью МПТ является наличие

коллектора и щеток. Их назначение в ДПТ —

изменять направление тока

в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса

одной полярности в зону полюса другой полярности.

Рис.1.5,а. Распределение индукции в зазоре Рис.1.5,б. Простейший двигатель

В простейшей электрической машине число параллельных ветвей якоря 2а

равно числу активных сторон витка-секции 2а=2.

Если параллельные ветви обмотки якоря выполнены идентичными, т.е.

МПТ имеет симметричную обмотку, то ЭДС параллельных ветвей равны и при

отсутствии нагрузки,

несмотря на то, что обмотки МПТ – замкнутые, ток

якорной обмотки равен нулю.

- Машина постоянного тока состоит из неподвижной части - статора и

вращающейся части — ротора (якоря), разделенных воздушным зазором.

Статор состоит из

станины, на внутренней поверхности которого крепятся

главные (2p) и добавочные

полюса с обмотками. Главные полюса служат

для создания в машине основного магнитного потока, а добавочные— для

улучшения коммутации. Часть поверхности якоря диаметром D,

приходящаяся на один полюс называется полюсным делением τ

τ= π D / (2 p).

Таким образом, в МПТ якорь, в котором происходит преобразование

энергии является подвижным (ротор)

. Индуктор (система возбуждения),

создающий основное магнитное поле, неподвижен и располагается на статоре.

Станина. Станина МПТ служит для крепления полюсов и подшипниковых

щитов, и является магнитопроводом, так как через нее замыкается основной

магнитный поток машины. Поэтому станины МПТ изготовляются из стали —

материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой

магнитной проницаемостью. [В машинах переменного тока статор состоит

из корпуса (чугун, алюминий, сталь) и сердечника (электротехническая

сталь),

в пазах которого уложена обмотка].

Рис. 1.6, 1.7. Основная конструктивная схема и устройство (поперечное сечение) МПТ:

1 — станина; 2 - главные полюсы; машины постоянного тока: 3 — сердечник якоря; 4 — коллектор;

5 — вал; 6 — подшипник; 7 — подшипниковый щит; 8 — вентилятор

Главные полюса. Магнитное поле в машине постоянного тока создается

магнитодвижущей силой обмотки возбуждения, которая выполняется в виде

полюсных катушек, надетых на

сердечники главных полюсов из

электротехнической стали

. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник

заканчивается полюсным наконечником, посредством которого обеспечивается

требуемое распределение основног магнитного потока (ОМП) на поверхности

якоря (рис. 1.8). Сердечники главных полюсов изготавливают в виде пакетов

стальных листов толщиной от 1 до 2

мм. Полюсные катушки выполняются из

медного провода, намотанного на каркас из изолирующего материала.

Для

улучшения формы

кривой магнитной индукции в зазоре МПТ большой

мощности в полюсные наконечники укладывают

компенсационную обмотку.

Якорь. Якорь на роторе МПТ состоит из вала, сердечника, обмотки и

коллектора. [В синхронных машинах на роторе – индуктор, в асинхронных –

фазная обмотка (Al) или беличья клетка из стержней и замыкающих колец

(Cu)].

Концы вала находятся в подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах. Для

лучшего охлаждения у большинства МПТ имеется вентилятор.

Сердечник якоря

(рис. 1.8) представляет собой цилиндр, набранный из

штампованных листов электротехнической стали

толщиной 0,35 или 0,5

мм. Это дает возможность уменьшить потери энергии в якоре от действия

вихревых токов, возникающих в результате перемагничивания сердечника при

вращении якоря в магнитном поле. На поверхности сердечника имеются

продольные пазы, в которые укладывается обмотка якоря.

Обмотку якоря выполняют из медного провода круглого или

прямоугольного сечения и располагают в пазах сердечника якоря, где она

изолируется от сердечника. Обмотка якоря состоит из секций (рис. 1.9), концы

которых припаиваются к пластинам коллектора. Секции, количество которых

могут состоять из

витков. Учитывая, что секция имеет минимум 2 активные

стороны, обмотка содержит

N=2 w

S витков.

Коллектор машины (рис. 1.10) выполняют из пластин холоднокатаной

меди (коллекторная медь), которые изолируют друг от друга прокладками из

коллекторного миканита.

Рис. 1. 8. Стальной лист якоря Рис. 1. 9. Одновитковая секция (w

=1):

вентиляционными отверстиями: обмотки якоря МПТ по рис. 1.8

1— сталь; 2 — изоляция

- Наличие коллектора и щеток является главной особенностью МПТ. Их

назначение в двигателе — изменять направление тока в проводниках обмотки

якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону

полюса другой полярности. Благодаря коллектору переменный ток обмотки

якоря во внешней цепи генератора постоянного тока (ГПТ) становится

неизменным по направлению (пульсирующим).

- Добавочные полюса. Добавочные полюса применяют при мощности

свыше 1 кВт, с целью улучшения коммутации (уменьшения искрения на

щетках). При включении нагрузки в цепи якоря протекает ток, который создает

магнитный поток (МДС) якоря.

Воздействие МДС якоря на ОМП

называется реакцией якоря РЯ. РЯ приводит к искажению ОМП, появлению

магнитного поля на геометрической нейтрали. Это обуславливает

неудовлетворительную коммутацию, сопровождающуюся искрением под

щетками.

Коммутацией называется переход тока из одной секции в другую при вращении якоря. При

идеальной (линейной) коммутации плотность тока контакта под щеткой постоянен i

– i

= 0. При реальной работе в коммутируемой секции имеются ЭДС реактивная (е

) и

коммутирующая (е

) и основное уравнение коммутации имеет вид i

– i

= e

+ e

Добавочные полюса компенсируют влияние РЯ на геометрической

нейтрали. Катушка добавочного полюса включается последовательно с

якорной обмоткой,

поэтому потери добавочных полюсов зависят от нагрузки.

Щеточное устройство. Для получения надежного электрического контакта

с поверхностью коллектора в МПТ имеются щетки. Для установки щеток в

машине служит щеточное устройство, которое обычно крепится к

подшипниковому щиту и только в машинах большой мощности она крепится к

станине.

Помимо указанных частей, машина имеет два подшипниковых щита: передний

(со стороны коллектора) и задний.

Щиты с помощью болтов крепятся к станине. В

центральной части щита имеется расточка, где располагается подшипник.

Для присоединения обмоток машины к электрической сети машина

снабжается коробкой выводов, где на изоляционной панели делаются выводы

концов обмоток. Обычно панель с выводами располагают на станине.

- На корпусе ЭМ имеется паспортная табличка, на которой

указываются

номинальные данные (параметры). Номинальными

величинами называются параметры, характеризующие номинальный

режим работы машины.

Номинальный режим работы ЭМ - это режим, для которого машина

спроектирована и изготовлена. В этом режиме она должна нормально

(безотказно) работать в течение установленного изготовителем срока службы.

Различают три основных номинальных режима работы ЭМ. Продолжительный,

повторно-кратковременный, кратковременный номинальные режимы.

К номинальным параметрам относятся: номинальная мощность Р

номинальное напряжение U

, номинальный ток I

, номинальная скорость

вращения n

. Помимо указанных величин, номинальными называются и

другие величины, если они соответствуют номинальному режиму работы

машины. К ним относятся:

номинальный к.п.д., номинальный вращающий

момент, номинальный ток возбуждения,

(коэффициент мощности cosϕ и

частота f для машин переменного тока).

Номинальная мощность генератора

постоянного тока представляет собой

полезную электрическую мощность на выводах машины, отдаваемую в сеть

при номинальном режиме (Вт, кВт).

Номинальная мощность двигателя

(ДПТ) представляет собой полезную механическую мощность на валу.

Номинальный к.п.д.:

для генератора

=U I/(U I +

p);

для двигателя

=(U I –

p)/(U I).

В зависимости от типа возбуждения МПТ делятся на:

машины с параллельным возбуждением (шунтовые);

машины с независимым возбуждением;

машины с последовательным возбуждением (сериесные);

машины со смешанным возбуждением (компаундные);

машины с возбуждением от постоянных магнитов.

Общие свойства, основные уравнения и характеристики МПТ

Общие свойства МПТ определяются законами, лежащими в основе работы.

Из свойства обратимости следует, что ЭМ, например, генератор с

независимым или параллельным возбуждением, автоматически переходит

двигательный режим, если ЭДС E

становится меньше напряжения сети U, и – в

генераторный режим, если ЭДС больше напряжения сети.

1,а). Для генератора, следовательно,

уравнение ЭДС якорной цепи

= U

+ I

r, (5.1)

где

r=r

– сопротивление цепи якоря. В общем случае оно содержит кроме

собственно сопротивления якоря сопротивление всех участков цепи якоря

(добавочные полюса, компенсационная обмотка, сериесная обмотка,

переходный щеточный контакт)

Σr =r

+ r

. (5.2)

1,б). Для двигателя

= U

– I

r. (5.3)

2. Для ДПТ и ГПТ справедливы формулы (2.12) и (2.14)

а) Е

=С Ф

, (5.4)

б) M =С Ф I (уравнение моментной характеристики ДПТ) (5.5)

При этом в режиме двигателя E

называется противо-ЭДС, так как

направлена против тока

, а в режиме ГПТ момент М является тормозящим.

Конструктивная постоянная (в системе СИ) С=с

=с

= pN/2π a. (5.6)

3. Электромагнитный (вращающий) момент

М = М

ЭМ

связан с

электромагнитной мощностью P

ЭМ

E и угловой скоростью ω:

М= P

ЭМ

/ω, (5.7)

также полезный момент пропорционален полезной мощности М

/ω. (5.8)

Основные зависимости и свойства, исследуемые:

в двигателях - это зависимости скорости от нагрузки, способы пуска и

регулирования скорости

в генераторах - это зависимость ЭДС и напряжения от тока возбуждения и

от тока нагрузки.

4. Из уравнения 2,а)

=Е

/С Ф. Подставив сюда 1,а) получим для

двигателя

ФC)rIU(

⋅⋅−=

– уравнение электромеханической характеристики. (5.9)

и подставив сюда 2,б) получим уравнение механической характеристики ДПТ,

являющейся основной характеристикой двигателя

ФC

⋅

−

⋅

(5.10)

5,а). Скоростной режим ДПТ определяется электромагнитным

моментом М и статическим моментом нагрузки М

ст

+ М

M = М

+ М

Dин

–уравнение моментов для двигателя, (5.11)

5,б).Для генератора уравнение равновесия моментов (при ω=const)

= М

+ М. (5.12)

Для двигателя КПД = P

= U I – Σp/(UI). (5.12)

Для генератора КПД = P

= U I /(UI + Σp). (5.13)

Здесь Σp= (p

+ p

мех

)+ p

эв

+ [p

эл

+ p

]+ p

, (5.14)

Где, соответственно, потери в стали p

≡В

, механические p

мех

электрические: в ОВ p

эв

, в ОЯ p

эл

≡ I

, в щетках p

; добавочные p

Если имеются добавочные полюса, то к [переменным] потерям добавляется р

дп

Зависимость КПД= f(P

) КПД= f(I) имеет типичный вид с максимумом при

равенстве потерь [переменных] и (постоянных).

Так как двигатели работают

по статистике с недогрузкой, то их проектируют так, что максимум обычно

соответствует нагрузке меньшей номинальной (0,6-0,8) P

2н

Если двигатель работает с небольшой, но длительной перегрузкой, то

повышается вероятность выхода из строя из-за перегрева и постепенного

ухудшения изоляции.

Общим для МПТ является то, что основной магнитный поток ОМП

создается главными полюсами с обмоткой

возбуждения (ОВ). (В

магнитоэлектрических машинах главные полюсы изготовляются в виде

постоянных магнитов без ОВ.). Кривая намагничивания, как и ххх имеют

нелинейный вид, петлю и зону насыщения.

При холостом ходе магнитное поле машины (двухполюсная машина с

условными щетками) является симметричным относительно оси полюсов, а

график распределения магнитной индукции в воздушном зазоре представляет

кривую, близкую к трапецеидальной (рис. 3.4, а).

Реакция якоря

Если МПТ нагрузить

, то в обмотке якоря появится ток I

, который создаст

МДС якоря F

. Тогда магнитное поле, созданное этой МДС (МДС ОВ=0), будет

иметь вид, представленный на рис.

3.4, б.

МДС обмотки якоря направлена по линии щеток (по геометрической нейтрали). Хотя

якорь вращается, но пространственное направление МДС обмотки якоря остается

неизменным, так как зависит только от положения щеток.

Наибольшее значение МДС обмотки якоря имеет на линии щеток (кривая 1 на рис. 3.4,

б). Распределение индукции в зазоре от магнитного потока якоря не

совпадает с

распределением МДС в межполюсном пространстве (кривая 2 на рис. 3.4, б), что

объясняется увеличением магнитного сопротивления потоку якоря в межполюсном

пространстве.

Величина МДС обмотки якоря Fа определяется числом проводников в

обмотке якоря на полюсном делении τ и величиной тока i

в этих проводниках

=N i

D =A

, (3.8)

где N i

/π D= A,—линейная нагрузка якоря, представляющая собой часть

намагничивающей силы якоря, приходящуюся на единицу длины окружности

якоря. Значение линейной нагрузки может быть от 10000 до 60000 А/м, в

зависимости от мощности машины.

Если включены обмотка якоря и обмотка возбуждения, то в

нагруженной МПТ действуют: МДС возбуждения Fo и МДС обмотки якоря Fa.

Влияние МДС обмотки якоря на основное магнитное поле (ОМП)

машины называется реакцией якоря (РЯ)

Реакция якоря искажает основное магнитное поле, делая его

несимметричным относительно оси полюсов машины (рис. 3.4, в).

Если магнитная система машины не насыщена

, то реакция якоря лишь

искажает результирующий магнитный поток, не изменяя его величины. Под

краем полюса где направление МДС якоря совпадает с направлением МДС

основных полюсов, происходит рост индукции и ЭДС (подмагничивание),

ухудшается работа щеточно-коллекторного узла (искрение).

Результирующий магнитный поток как бы поворачивается относительно оси

основных полюсов на некоторый угол

, физическая нейтраль mm' (линия,