Электрические машины постоянного тока

Электрические машины

 

Основные понятия и законы магнитных цепей

Магнитной цепью называют совокупность различных ферромагнитных и неферромагнитных частей электротехнических устройств, которые служат для создания магнитных полей нужной конфигурации.

Магнитная цепь состоит из источников, возбуждающих магнитное поле цепи (электромагниты, постоянные магниты) и ряда тел, сред, образующих практически замкнутые пути, по которым замыкается основная часть магнитных силовых линий.

Магнитные цепи разнообразны по форме, геометрическим размерам, материалам. Как и электрические цепи могут быть разветвленными и неразветвленными, с одной или несколькими намагничивающими силами.

Неразветвленная магнитная цепь – это цепь, в которой магнитный поток в любом сечении одинаков, например тороид (рисунок 4.1) или магнитная цепь, показанная на рисунке 4.2.

Рисунок 4.1 Рисунок 4.2

 

В большинстве случаев магнитную цепь следует считать нелинейной, и только при определенных допущениях – линейной.

Рассмотрим величины, характеризующие магнитные цепи.

Магнитная индукция В - характеризует интенсивность магнитного поля, то есть способность его производить работу, величина векторная, измеряется в теслах (Тл).

Напряженность магнитного поля Н - учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства, не зависит от своей среды, измеряется в А/м.

Магнитный поток Ф, пронизывающий какую либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий:

Магнитный поток измеряется веберах (Вб).

Напряженность магнитного поля и магнитная индукция связаны соотношением:

^,

где - абсолютная магнитная проницаемость.

 

Напряженность магнитного поля связана с токами возбуждающими поле, законом полного тока:

 

Величину называют полным током.

В общем виде закон полного тока для любого замкнутого контура магнитной цепи:

Со знаком (+) включают напряженность, положительное направление которой совпадают с направлением обхода контура и тока (правило правоходного винта).

Величину называют магнитным напряжением:

При расчетах магнитных цепей используют первый и второй законы Кирхгофа.

Первый закон Кирхгофа следует из принципа непрерывности магнитного потока- - алгебраическая сумма магнитных потоков цепи равна нулю:

 

 

Второй закон Кирхгофа: алгебраическая сумма падений магнитного напряжения вдоль любого замкнутого контура равна алгебраической сумме МДС, вдоль того же контура:

Если направление магнитного потока на некотором участке совпадает с направлением обхода контура, то падение магнитного напряжения этого участка входит в сумму со знаком (+), если направление магнитного потока на некотором участке не совпадает с направлением обхода контура, то падение магнитного напряжения этого участка, входит в сумму то со знаком (-).

Если напряжение МДС совпадает с направлением обхода контура, она входит в со знаком (+), если встречно ему, то со знаком (-).

Трансформаторы

Трансформатором называется статическое электромагнитное устройство, преобразующее переменный ток (i₁) одного напряжения (u ₁) в переменный ток (i₂) другого напряжения (u ₂) той же частоты (рисунок 4.3). Трансформатор состоит из замкнутого сердечника, который набран из листовой электротехнической стали и двух индуктивно связанных обмоток, расположенных на сердечнике.

 

Рисунок 4.3

 

Обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Сердечник является магнитопроводом и служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Первичная обмотка трансформатора подключается к источнику питания, а к вторичной обмотке подключаются приёмники электрической энергии.

Принцип действия трансформатора основан на явлении взаимной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф, замыкаясь по магнитопроводу, этот поток сцепляется с обеими обмотками (первичной и вторичной) и индуктирует в них ЭДС:

- в первичной обмотке ЭДС самоиндукции: е₁ = - w₁

- во второй обмотке ЭДС взаимоиндукции: е₂ = - w₂ ,

гдe w ₁ , w ₂ – число витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

 

При подключении нагрузки к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС е₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение u_2. B повышающих трансформаторах U₂ > U₁,(w ₁< w ₂), а в понижающих – U₂ < U₁,(w ₁ > w ₂).

Если первичная обмотка трансформатора подключена к сети с напряжением U₁, а вторичная разомкнута (R_н = ), то режим работы трансформатора называется режимом холостого хода. Под действием напряжения по первичной обмотке течет ток , называемый током холостого хода.

Коэффициент трансформации (К_{ТР )} трансформатора определяется из опыта холостого хода:

 

Перемагничивание магнитопровода трансформатора при воздействии переменного напряжения u₁ связано с затратами энергии, которые вызывают нагрев магнитопровода. Мощность, расходуемая на перемагничивание, пропорциональна площади петли гистерезиса и зависит от материала магнитопровода, частоты перемагничивания.

Под воздействием ЭДС е₁ в обмотке трансформатора протекает ток I₁₀. Токи возникают и в других телах из проводящих материалов, расположенных в изменяющемся магнитном поле (магнитопровод, стенки бака трансформатора). Эти токи замыкаются в контурах, плоскости которых перпендикулярны направлению магнитного потока и называются вихревыми токами.

Вихревые токи нагревают магнитопровод и снижают КПД (коэффициент полезного действия) трансформатора.

Мощность, расходуемая на перемагничивание и вихревые токи, называется потерями в стали и численно равна активной мощности. Потери в стали определяются из опыта холостого хода трансформатора и не зависят от тока вторичной обмотки, то есть являются постоянными для данного трансформатора.

При коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора его напряжение и сопротивление нагрузки равно нулю.

При опыте короткого замыкания вторичную обмотку трансформатора замыкают накоротко, а к первичной обмотке подводят такое пониженное напряжение, при котором в обмотке трансформатора протекают номинальные токи.

Это напряжение называется напряжением короткого замыкания и измеряется в процентах от номинального:

 

 

При опыте короткого замыкания полезная мощность трансформатора равна нулю, а потери в стали ничтожно малы, так как мал намагничивающий ток в сердечнике. Поэтому можно считать, что мощность P_K, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыкания, расходуется только на нагревание проводов обмоток и называется потерями в меди.

Коэффициент полезного действия трансформатора представляет собой отношение полезной мощности (Р₂), отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности (Р₁), потребляемой из сети:

 

,

 

где Р₀ - мощность, потребляемая трансформатором при опыте холостого хода,; Р_К - мощность, потребляемая трансформатором при опыте короткого замыка-

ния.

Электрические машины

Электрической машиной называется устройство, предназначенное для преобразования механической энергии в электрическую или наоборот:

- электромашинные генераторы, преобразующие механическую энергию в электрическую;

- электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую;

Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного тока.

Электрические машины по мощности условно подразделяют на микромашины; машины малой, средней и большой мощности.

Электрические машины по частоте вращения условно подразделяют:

- на тихоходные – с частотами вращения до 300 об/мин

- на средней быстроходности – 300 1500 об/мин

- на быстроходные – 1500 6000 об/мин

- на сверхбыстроходные – свыше 600 об/мин

Электрические машины постоянного тока

 

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Электродвигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получить как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Поэтому их широко используют на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах, на морских и речных судах. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щелочно-коллекторного аппарата, который требует тщательного ухода при эксплуатации, что снижает надежность работы машин. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте – синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

Каждая машина постоянного тока может работать как режиме генератора, так и в режиме двигателя. Такое свойство присуще всем типам вращающихся электрических называется обратимостью.

Машины постоянного тока (МПТ) состоят из индуктора, создающего магнитный поток и якоря, в котором наводится э.д.с. (рисунок 4.4).

 

Рисунок 4.4

Индуктор состоит из корпуса 1, главных полюсов 2 и обмоток возбуждения 4.

Якорь состоит из вала 5, сердечника 6, обмоток 7 и коллектора.

Щетки 3 служат для подключения потребителя (режим генератора) и подачи напряжения на обмотку якоря (режим двигателя).Машины постоянного тока (МПТ) по способу соединения обмотки возбуждения делятся на машины с последовательным, параллельным, смешанным и независимым возбуждением.

При подключении к сети обмотки возбуждения создается магнитный поток Ф, пронизывающий сердечник якоря. В обмотке якоря протекает ток I_Я, сила взаимодействия которого с магнитным потоком Ф создает электромагнитный момент:

 

,

 

где – магнитная постоянная МПТ.

Под действием момента М якорь приходит во вращение и в его обмотке наводится ЭДС:

 

,

 

где - электрическая постоянная МПТ; - число оборотов якоря МПТ, об/мин

Для непрерывного вращения ротора необходимо сохранить направление намагниченности ротора относительно магнитного потока Ф. Это достигается тем, что с помощью коллектора регулярно меняется направление тока в обмотке якоря на противоположное.

Напряжение сети равно:

 

 

Число оборотов двигателя определяется из выражения:

 

 

Машины постоянного тока с параллельным возбуждением имеют широкие возможности регулирования скорости вращения ротора, они могут обеспечивать постоянную скорость при различных нагрузках или различную скорость при постоянных нагрузках. Это достигается, главным образом, изменением магнитного потока при изменении тока возбуждения с помощью регулировочных реостатов, так как при этом потеря энергии на регулирование минимальны.

При пуске двигателя через обмотку якоря протекает значительный пусковой ток, так как в этот момент времени n = 0, E = 0 и I_я = U / R_я.

Для снижения пускового тока используют пусковые реостаты, ограничивающие ток до безопасной величины.

Коэффициент полезного действия (к.п.д.):

 

,

 

где Р₁ = U (I_я + I_B) – мощность, потребляемая от сети, Вт; - полезная мощность на валу двигателя, Вт; - вращающий момент.

Вращающиеся электрические машины могут работать как в режиме двигателя, так и режиме генератора. В генераторном режиме вращающаяся электрическая машина преобразует механическую энергию первичного двигателя в электрическую. В качестве первичного двигателя может служить гидравлическая или паровая турбина и двигатель внутреннего сгорания.

Генератор отдает мощность в нагрузку в том случае, когда ЭДС якоря превышает напряжение сети:

 

где -переменная э.д.с. якоря, выпрямляемая с помощью коллектора;

n - скорость вращения якоря, Ф - магнитный поток возбуждения.

При холостом ходе напряжение на зажимах генератора .

При замкнутой внешней цепи через нагрузку протекает ток якоря, который создает падение напряжения:

 

 

По способу возбуждения генераторы принято подразделять на генераторы с самовозбуждением, когда используется явлением остаточной намагниченности магнитопроводов, и с независимым возбуждением, когда обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока.

Основные свойства генератора определяются следующими зависимостями:

- характеристикой холостого хода при , где - ток возбуждения генератора;

- регулировочной характеристикой при ,

где U_Г – напряжение на выводах генератора.

- внешней характеристикой при , где I_н – ток нагрузки.

 

4.3.2 Асинхронный двигатель

 

Асинхронный электрический двигатель (АД) состоит из неподвижной (статор) и вращающейся (ротор) частей.

Статор АД состоит из корпуса 1, сердечника 2, обмотки 3 (рисунок 4.5)

 

 

Рисунок 4.5

 

Сердечник с обмоткой с помощью подшипников крепится к корпусу. Сердечник собирают из листов электротехнической стали толщиной 0,35 – 0,5 мм. На внутренней стороне сердечника имеются пазы, в которые уложены три обмотки статора.

Ротор АД состоит из вала 4, сердечника 5 и обмотки 6. В двигателях мощностью до 100 кВт обмотку ротора выполняют заливкой пазов сердечника ротора расплавленным алюминием под давлением с одновременной отливкой торцевых замыкающих колец и крыльчатки вентилятора.

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле с частотой вращения:

 

,

где - частота переменного напряжения, Гц; - число пар полюсов.

 

Вращающееся поле статора пересекает стержни обмотки ротора и наводит в них ЭДС, а так как обмотка ротора замкнута накоротко, то в стержнях возникают токи. Взаимодействие этих токов с магнитным полем статора создает в проводниках обмотки ротора электромагнитные силы F_эм, стремящиеся повернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Совокупность сил F_эм, приложенных к стержням, создает на роторе электромагнитный момент М_эм, приводящий его в движение с частотой n₂ называется асинхронной, она всегда меньше частоты вращения поля n₁ за счет инерции ротора.

Разность частот ротора и поля статора характеризуется скольжением:

 

%.

 

Скольжение АД может изменяться от нуля (n ₂ = n ₁), что соответствует режиму холостого хода, когда ротор двигателя почти не испытывает противодействующих моментов, до 100 % (n ₂ = 0), что соответствует режиму короткого замыкания, когда при включении в сеть противодействующий момент на валу двигателя равен или больше пускового момента.

Число оборотов ротора:

Из этого выражения видно, что n ₂ можно регулировать изменением и .

Для реверсирования АД необходимо изменить направление вращения поля статора на противоположное, для этого необходимо поменять местами два любых провода, идущих к зажимам обмоток статора.

Пуск АД с короткозамкнутым ротором может осуществляться непосредственным включением в сеть. Этот способ близок к режиму короткого замыкания и вызывает в статоре ток в 5 - 7 раз больше номинального, за счет этого в АД выделяется большое количество тепла, что может привести к его повреждению. Поэтому непосредственное включение АД в сеть осуществляется с помощью магнитных пускателей, оснащенных тепловыми расцепителями. Они не реагируют на кратковременное повышение тока при запуске и предотвращают перегрев двигателя.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: