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

Подождите немного. Документ загружается.

проходящая через точки на якоре, в которых индукция равна нулю)

смещается относительно геометрической нейтрали пп' на угол

(рис. 3.6,

а), тем больший чем больше нагрузка машины. При работе машины в режиме

генератора физическая нейтраль смещается по направлению вращения якоря, а

при работе двигателем—против вращения якоря.

В результате чего работа электрической машины может быть нарушена.

Если же магнитная система машины насыщена, что имеет место у

большинства электрических машин, то подмагничивание края полюсного

наконечника и находящегося под ним зубцового слоя сердечника якоря

практически невозможно и распределении индукции в зазоре становится более

равномерным. Однако величина результирующего потока при этом

уменьшается. Другими словами,

реакция якоря в машине с насыщенной

магнитной системой размагничивает машину

. В результате ухудшаются

рабочие свойства машины: у генераторов снижается ЭДС, у двигателей

уменьшается вращающий момент.

Размагничивающее влияние реакции якоря усиливается при смещении щеток с

геометрической нейтрали, так как вместе со щетками смещается и вектор МДС якоря (рис.

3.5). При этом МДС якоря F

, помимо поперечной составляющей F

= F

cos β, приобретает

еще и продольную составляющую F

sin

, направленную по оси полюсов. При этом

несколько ослабляется искажающее влияние РЯ. При изменении нагрузки и

направления вращения угол смещения необходимо менять.

Рис.3.5,а. МДС якоря и МДС ОВ. Рис.3.5,б. Разложение МДС обмотки якоря

при расположении щеток на нейтрали на продольную и поперечную составляющие

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

= 0 (рис.4.2,а). При реальной работе в

коммутируемой секции имеются ЭДС реактивная (е

) и коммутирующая (е

) и

основное уравнение коммутации имеет вид i

– i

= e

+ e

. В этом

случае возможна замедленная комутация (рис.4.2, б).

Для улучшения коммутации применяют добавочные полюса, которые

компенсируют влияние РЯ на геометрической нейтрали.

Катушка

добавочного полюса включается последовательно с якорной обмоткой,

поэтому потери добавочных полюсов зависят от нагрузки. Если МДС F

добавочных полюсов больше требуемой величины (1,15…1,3 F

), то e

> e

, ток

направлен встречено току i, поэтому ток в коммутирующей секции достигает

нуля раньше времени Т

/2. Коммутация становится ускоренной (рис.4.2, в).

Для улучшения формы кривой магнитной индукции в зазоре МПТ

применяют компенсационную обмотку (КО). КО укладывается в пазы

полюсных наконечников, включается последовательно с ОЯ таким образом,

чтобы ее МДС F

,была противоположна по направлению МДС ОЯ F

Рис.4.2. Графики изменения тока в секциях

ГПТ с электромагнитным возбуждением делятся на два основных типа:

ГПТ с независимым возбуждением;

ГПТ с самовозбуждением (параллельным, последовательным, смешанным).

Якорные обмотки МПТ бывают петлевые и волновые (простые и сложные)

по внешнему виду секции. S=K=Z

Э.

Сложные обмотки состоят из m простых.

Обмотки МПТ – замкнутые (конец 1с- начало последней). Элементарным

называют паз, в котором– два активных проводника секций. Шаги и ветви ОЯ.

Для петлевых обмоток у=±m (±1); у1= (Z

/2p) ± е; у2=у1–у; 2а=2mр.(+-прав)

Для волновых обмоток у=(К±m)/р; у1= (Z

/2p)±е; у2=у–у1; 2а=2m.(– -лево)

Обмотки бывают также комбинированными. Обмотки статоров ЭМ

переменного тока также петлевые и волновые, но не замкнутые.

ГПТ может включаться на параллельную работу (ПР) с группой генераторов

(сетью).

Условием включения генератора на ПР с группой работающих

генераторов является равенство его ЭДС напряжению на зажимах

работающих генераторов.

Режимы работы МПТ

Рассмотрим режимы работы МПТ на примере ДПТ с параллельным

возбуждением при Ф=const. В этом случае механическая характеристика

ω=f(M) может быть представлена скоростной характеристикой ω=f(I).

ДПТ в зависимости от величины и знака внешнего момента, действующего

на ее вал со стороны связанного с ним механизма, может работать в 3ех

режимах: 1-двигательном, 2-тормозном и

3-генераторном.

1. При работе двигателя без нагрузки ток в цепи якоря небольшой, что

соответствует скорости вращения

ω=ω

хх

(точка A) (холостой ход).

Если увеличивать противодействующий момент до значения, при котором

якорь двигателя, замедляясь, остановится (точка В), то ток (момент) двигателя

достигнет значения пускового значения

=U/

r. Т.е. пусковой ток ДПТ

определяется напряжением и сопротивлением якоря.

2. При активном характере нагрузки (например, привод барабана, на

который наматывается трос с грузом), при последующем увеличении момента

этого механизма якорь машины вновь начнет вращаться, но теперь уже в

другую сторону. Теперь момент, действующий на вал ЭМ со стороны

нагрузочного механизма, будет вращающим, а электромагнитный момент

машины—тормозящим, т. е. электрическая

машина перейдет в режим тормоза.

При работе машины в этом режиме ЭДС якоря действует в согласовании с

напряжением

I=I

=(U+E

При использовании МПТ в тормозном режиме, вводя в цепь якоря

добавочное сопротивление R

, обеспечивающего получение искусственной

характеристики двигателя 2, снижают ток до

= I

aн

Если при работе ДПТ в режиме холостого хода к его валу приложить

момент, направленный в сторону вращения якоря (разматывается трос с

грузом), то скорость вращения, а, следовательно, и ЭДС E

начнут возрастать.

Когда ЭДС E

=U, машина не будет потреблять из сети тока (точка ω

), скорость

вращения якоря достигнет значения, называемого пограничной скоростью.

3. При дальнейшем увеличении внешнего момента на валу машины ЭДС

станет больше напряжения, а в цепи якоря опять возникнет ток, но другого

направления. При этом машина перейдет в генераторный режим:

механическая энергия, затрачиваемая на вращение якоря, будет

преобразовываться в электрическую и поступать

в сеть.

Перевод двигателя в генераторный режим используется для торможения

двигателя, так как в генераторном режиме электромагнитный момент является

тормозящим (рекуперативное торможение).

Учитывая что МПТ общего применения реверсивны характеристики располагаются в I и

III четверти – для двигательного режима, - II и IV – для генераторного и тормозного

режимов.

- При исследовании двигателя определяются зависимости скорости

вращения от нагрузки, способы пуска и регулирования скорости и снимаются

следующие характеристики:

механическая, электромеханическая

(скоростная),

короткого замыкания и рабочие.

- При исследовании генератора определяются зависимости ЭДС и

напряжения от тока возбуждения, напряжения от тока нагрузки и снимаются

характеристики холостого хода (рис.12), нагрузочная, внешняя (рис.13),

регулировочная (

рис.13,а), короткого замыкания.

- Относительное изменение напряжения генератора определяет вид

внешней характеристики

— зависимости напряжения на выходе генератора U

от тока нагрузки I: U=f(I) при r

pг

=const и ω = const.

На рис.13 – внешняя характеристика генератора независимого возбуждения.

При росте тока нагрузки I, т.е. при снижении сопротивления нагрузки R

напряжение генератора понижается

, что объясняется размагничивающим

влиянием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря.

Рис.12 Рис.13 Рис.13, а.

- Наклон внешней

характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней

характеристики) оценивается

номинальным изменением напряжения

генератора при сбросе нагрузки

=100 (U

.– U

)

Для генераторов независимого возбуждения (ГНВ) ΔU

= 5-10%, для

генераторов параллельного возбуждения (ГПВ)–10-30%.

Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного

возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик

генератора независимого возбуждения.

Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения (рис.

5.8) менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Номинальное

изменение напряжения генератора параллельного возбуждения (5.6) составляет

10—30%. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения,

помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе

независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи

якоря), действует еще и третья причина—уменьшение

тока возбуждения,

вызванное снижением напряжения от действия первых двух причин.

Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления

нагрузки r

ток I увеличивается лишь до критического значения I

кр

, а затем при

дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки ток I начинает уменьшаться.

Ток нагрузки при коротком замыкании I

к.з

кр

=0,6 I

ном

Дело в том, что с увеличением тока I усиливается размагничивание генератора (усиление

реакции якоря и уменьшение тока возбуждения) и машина переходит в ненасыщенное

состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает

резкое уменьшение ЭДС машины. Уменьшение тока после достижения критического

значения вызвано тем, что U убывает быстрее, чем уменьшается r

Рис. 5.8.

Таким образом, короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением

сопротивления нагрузки не опасно для генератора параллельного возбуждения.

Но при внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не

успевает сразу размагнититься, и ток I

к.з

достигает опасных для машины

значений I

к.з

=(8—12) I

При таком резком возрастании тока на валу генератора возникает значительный

тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой

огонь. В связи с этим возникает необходимость защиты генераторов от перегрузки и

короткого замыкания посредством плавких предохранителей или же применением системы

релейной защиты.

Генераторы параллельного возбуждения широко используют в установках

постоянного тока, т.к.

отсутствие возбудителя выгодно отличает их от

генераторов независимого возбуждения

На преобразовательных подстанциях постоянного тока обычно

устанавливают несколько генераторов и включают их параллельно на общие

шины.

При включении генераторов на параллельную работу необходимо

соблюдать следующие условия:

1) ЭДС подключаемого генератора

должна быть равна напряжению сети

, 2) полярность зажимов подключаемого генератора должна соответствовать

полярности сети.

При изменениях нагрузки токи I

и I

распределяются между двумя генераторами в

соответствии с их внешними характеристиками. Нагрузка между генераторами

распределяется обратно пропорционально сопротивлениям цепи якоря. При включении на

параллельную работу генераторов смешанного возбуждения следует предусмотреть в схеме

уравнительный провод, соединяющий одноименные зажимы якорной обмотки.

- Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки возбуждения:

параллельную и последовательную. Поток возбуждения создается в основном

параллельной обмоткой. Последовательная обмотка обычно включается

согласно с параллельной (МДС обмоток складываются),

что обеспечивает

получение жесткой внешней характеристики

генератора (ΔU

≈ 0).

Встречное включение

обмоток применяется лишь в генераторах

специального назначения, например в сварочных генераторах, где необходимо

получить

круто падающую внешнюю характеристику.

Но наиболее значительной зависимостью напряжения от нагрузки

отличаютсятся

генераторы последовательного возбуждения, у которых ток

возбуждения равен току нагрузки (i

=I), a, поэтому свойства определяются

лишь внешней характеристикой (рис. 5.9, б). При холостом ходе ЭДС

генератора невелика (E

ост

Рис.15.3

- Принцип самовозбуждения лежит в основе работы ГПВ.

Самовозбуждение ГПТ возможно при соблюдении следующих условий:

а) магнитная система машины должна обладать остаточным магнетизмом;

б) присоединение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы магнитный

поток этой обмотки совпадал по направлению с потоком остаточного

магнетизма Ф

ост

(правильное включение ОВ);

в) скорость вращения якоря должна быть больше критической (достаточной).

- В генераторе с параллельным возбуждением включение в работу

возможно при соблюдении всех условий самовозбуждения.

Так как генератор параллельного возбуждения

, самовозбуждается лишь в

одном направлении

(тока возбуждения), то и характеристика холостого хода

этого генератора может быть снята только для одного квадранта осей

координат. По этой же

причине нельзя изменять направление вращения

якоря без изменения схемы включения.

- ЭДС якоря и электромагнитный момент МПТ

ЭДС проводника обмотки якоря по закону индукции

e=B l v.

ЭДС обмотки равна ЭДС параллельной ветви, содержащей

N/2a

последовательных проводников.

Воспользуемся средним значением магнитной индукции,

так как значения

индукции В в пределах полюсного деления τ. Тогда среднее значение ЭДС,

индуктируемой в обмотке, уложенной на поверхности якоря, равно E

ср

= B

ср

l v.

Поэтому ЭДС обмотки якоря между щетками машины

ср

N/ 2a= B

ср

l v N/2a. (16.11)

Перейдем от окружной скорости вращающегося якоря v, [м/сек] к угловой

скорости вращения якоря

[рад/с]

v=D

где D—диаметр якоря, м; l—длина якоря, м.

Учтем, что площадь, которую пронизывает магнитный поток одного

полюса, есть произведение

(рис. 2.33) при

=1, получим

ср

=Ф/l

=2 Ф p/l

D, (16.11,a)

где Ф—магнитный поток в воздушном зазоре под одним полюсом,

полюсное деление

D / 2 р. Подставив (16.11,а) в (16.11) перейдя к

угловой скорости

, получим ЭДС обмотки якоря

= p N Ф

a. (16.12)

Величина pN/2

a для данной машины является постоянной и в системе СИ

C=C

=p N /2

a (16.13)

Окончательно Е

=С Ф

. (16.14)

Здесь ЭДС E

в вольтах, а магнитный поток Ф в веберах (Вб). Наибольшее

значение ЭДС имеет место при секциях с полным шагом и при положении

условных щеток на геометрической нейтрали.

Выражение для электромагнитного момента M МПТ получим, если

воспользуемся формулой преобразования мощности в ГПТ

F v=B l I v=EI и

перейдем от прямолинейного к вращательному движению с помощью формул:

F =2 M /D; v=D

/ 2. Тогда выражение для МПТ получит вид

(2 M /D) (D

/ 2) = E I и после сокращения M

= E I. Откуда M=EI/

Подставив в последнее уравнение (16.14) получим

M =С Ф I. (16.15)

Используя полученные уравнения (16.12, 2.11,a), и выражение для линейной

нагрузки N I /2

D a= A можно определить расчетную мощность машины P=m

I E

, (для МПТ m=1)

P'= D

/ 2,

где α

– коэффициент полюсного перекрытия , b

– ширина полюса. Из

этого уравнения получается значение машинной постоянной Арнольда C

определяющей мощность машины (

=const), приходящуюся на единицу

объема ( в системе СИ C

=(1,6–16) 10

-5

м с

/кг)

= D

/ P'= 6 10

–1

A. (16.16).

- M =С Ф I. Величина вращающего момента двигателя постоянного тока

определяется из уравнения моментной характеристики ДПТ).

- Для определения вращающего момента ДПТ необходимо в выражение

M =С Ф I подставить значение конструктивной постоянной (в системе СИ)

С=с

=с

= pN/2π a. В формуле для М: p – число пар полюсов, N – число

проводников обмотки якоря, a – число пар параллельных ветвей обмотки якоря.

- Нагрузку, создаваемую при работе двигателя рабочим механизмом, в

лаборатории реализуют с помощью генератора электромашинного агрегата, в

цепи якоря которого включено регулируемое сопротивление (реостат).

- Пусковой ток ДПТ определяется напряжением и сопротивлением

якоря I

=U/

r. При пуске

=0, Е=0. Поэтому необходимо введение реостата,

чтобы ограничить ток при пуске: I

=U/(

r+R

- Одними из основных характеристик любого двигателя постоянного

тока являются механическая ω=U/cФ –М r/c

(или электромеханическая

ω=U/cФ –I r/c

Ф) и моментная M =С Ф I характеристики. На рис.18,а –

характеристики ДПТ с параллельным возбуждением (отрезки прямых). На

рис.18,б –механическая характеристика (гипербола) и моментная

характеристика двигателя последовательного возбуждения.

Рис.18,а Рис.18,б.

- Потери машины определяют КПД.

Для двигателя КПД = P

= U I – Σp/(UI).

Для генератора КПД = P

= U I /(UI + Σp).

- В суммарные потери входят Σp= (p

+ p

мех

)+ p

эв

+ [p

эл

+ p

]+ p

Где, соответственно, потери в стали p

≡В

; механические p

мех

;

электрические: в обмотке возбуждения p

эв

≡ I

, в обмотке якоря 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).

На рис.20

представлена зависимость КПД=f(P

) ДПТ с независимым возбуждением

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

Рис.20. Рис.21.

Если двигатель работает с небольшой, но длительной перегрузкой, то повышается

вероятность выхода из строя из-за перегрева и постепенного ухудшения изоляции.

- Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими

характеристиками, под которыми понимают зависимость скорости вращения

n, величины тока I, коэффициента полезного действия η, вращающего момента

М от мощности на валу двигателя P

при U=const и i

=const (рис. 21).

Из-за жесткости характеристик при независимом возбуждении график M=f(P

) имеет вид

близкий к прямой. Если поток Ф=const, то этот график является в то же время выражением

зависимости I=f(Р

- Для регулирования скорости ДПТ можно использовать изменение

сопротивления и напряжения якоря и магнитного потока. Рассмотрим эти

способы для двигателя с независимым возбуждением.

А). Реостатные искусственные характеристики U=U

, Ф=Ф

. При

изменении сопротивления якорной цепи пограничная скорость ω

- не

изменяется, но увеличивается угловой коэффициент и характеристика

становится мягче (Рис. 22).

Механическая характеристика при включении

дополнительного сопротивления в цепи якоря r

называется искусственной

реостатной.

Фс

Фc

Пя

⋅

−

⋅

; в

−

М, =ω

– Δω

иск

где

Фc

⋅

;

Фс

Пя

⋅

= - угловой коэффициент.

Рис. 22.1. Реостатные характеристики ДПТ с параллельным и независимым возбуждением.

Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной

нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называется

номинальным изменением скорости

= 100 (ω

– ω

) /ω

б). Искусственные характеристики при изменении потока возбуждения

(при U=U

; R

=0)

Фсс

Фс

ме

−=

или

нме

не

Фсс

Фс

−=

Номинальный магнитный поток машин близок к потоку насыщения.

Поэтому изменение величины магнитного потока может вестись только в

сторону снижения, т.е. Ф<Ф

или Ф=

, где

<1 - степень ослабления

потока. При уменьшении потока пограничная скорость изменяется обратно

пропорционально потоку (ω≡1/Ф). Ослабление потока позволяет регулировать

скорость вверх от естественной характеристики.

При малых значениях тока возбуждения, а тем более при обрыве цепи

возбуждения (I

=0) скорость вращения двигателя неограниченно возрастает,

что приводит к «разносу» двигателя, т.е. его механическому разрушению.

Поэтому в цепь ОВ не ставят выключатели и предохранители.

в). Изменение подводимого напряжения (Ф=Ф

, R

=0). Как видно из

характеристики ω

=U/cФ –r M/(c

) при изменении напряжения, подводимого

к якорю ДПТ НВ, меняется пограничная скорость, а угловой коэффициент

Рис 22.2. Искусственные характеристики

машин

с параллельным и независимым

возбуждением при ослаблении поля.

остается неизменным (Рис. 27). Искусственные характеристики будут

параллельны естественной.

Недостатком способа является необходимость ЭМ или управляемого

выпрямителя, равного по мощности двигателю, что удорожает систему.

- Для ДПТ с последовательным возбуждением (сериесного двигателя

СДПТ)

является характерным то, что I

, поэтому при изменении нагрузки

меняется и магнитный поток машины

≠

const.

Для ненасыщенной машины (Ф=К

=К

) уравнение скоростной

характеристики

Фс

)Rrr(I

Фс

ровяя

−=ω примет вид:

;

фе

Пм

яфе

кс

Iкс

−=

где

овям

rrr

; т.е. ω =к/I

уравнение момента –

яфмям

IксФIсМ == ;

электромагнитная мощность P=M ω=k

При насыщении (Ф=Ф

нас

=const).

насе

рмя

насе

Фс

RrI

Фс

)(

−=

;

янасм

IФсМ =

Таким образом скоростная характеристика

)(

If=

имеет вид

гиперболы, переходящей в прямую, а моментная характеристика М=f(I

) –

параболы, переходящей в прямую (Рис. 33).

Рис 22.3 Искусственные

характеристики машин

с независимым возбуждением

при изменении подводимого

напряжения.

Рис 32. Машина постоянного тока

с последовательным возбуждением

(сериесная машина)

Рис 33. Скоростная характеристика

машины постоянного тока

с последовательным возбуждением .