|
|
Общая теория электромеханических преобразователей
Основу анализа процессов в электрических машинах и аппаратах составляют уравнения Максвелла, устанавливающие для любой точки пространства следующую систему соотношений
где приняты следующие обозначения: B и D – индукции соответственно магнитного и электрического полей, с – константа, равная скорости света, r - плотность электрического заряда, j – плотность тока, связанная со скоростью v движения заряда
Эти уравнения должны быть дополнены уравнениями состояния,
где E и H – соответственно напряженности электрического и магнитного полей, и уравнением для силы Лоренца
Кроме того, в систему уравнений входит уравнение движения, устанавливающее связь между развиваемым двигателем моментом M, моментом сопротивления производственной машины MC, моментом инерции привода J и изменением угловой скорости w
Зависимости моментов от угловой скорости M(w) и MC(w) представляют собой механические характеристики электродвигателя и производственной машины. Для характеристики MC(w) обычно используют эмпирическое уравнение MC = M0 + (MCH – MC)(w/wH)a, где M0 – момент сопротивления при холостом ходе, MСН – момент сопротивления при номинальном режиме и номинальной угловой скорости wН, a - числовой коэффициент, зависящий от особенностей рабочей машины. В зависимости от величины этого коэффициента различают четыре основных группы машин. Соответствующие им характеристики приведены на рисунке 3.
Зависимости 1, 2 3 и 4 соответствуют абсолютно жесткой, жесткой, мягкой и абсолютно мягкой характеристикам. Отношение b = DM / Dw разности моментов DM = M2 – M1 -к соответствующей разности угловых скоростей электродвигателя Dw = w2 – w1 называется жесткостью его механической характеристики. Аналогичным образом определяется жесткость характеристики механизма bС.
С понятием жесткости тесно связано понятие статической устойчивости, под
Рис. 4. Характеристика двигателя Рис. 5. Характеристика постоянного тока асинхронного двигателя
которой понимают такое состояние установившегося режима работа привода, когда при случайно возникшем отклонении скорости от установившегося значения привод возвращается в точку установившегося режима. Устойчивость имеет место при выполнении условия b-bС <0. Для примера на рис.5 рассмотрены режимы работы двигателя постоянного тока независимого возбуждения на механизм с постоянными моментами нагрузки, M1 и M2, а на рис.6 - асинхронного двигателя на механизм с постоянным моментом (сплошная линия) и механизмы с вентиляторной характеристикой (пунктирные линии). При постоянном моменте нагрузки устойчивость определяется только жесткостью механической характеристики двигателя. Если она отрицательна, то работа в установившемся режиме устойчива, иначе – неустойчива (точка б на рис. 6). Работа же асинхронного двигателя на механизм с вентиляторной характеристикой, как легко показать с помощью рис. 6, в обеих точках устойчива.
Электрические машины Асинхронные машины
Асинхронной называется электрическая машина, у которой одна совокупность обмоток получает питание от электрической сети переменного тока с постоянной частотой w1, а другая совокупность обмоток замыкается накоротко или на электрические сопротивления. Токи во вторичных обмотках асинхронной машины появляются в результате электромагнитной индукции. Их частота является функцией вращающего момента, приложенного к валу. Скорость вращения ротора w2 отличается от частоты сети. Величина s=(w1- w1)/w1 называется скольжением. Теоретически она может принимать любое значение. При этом изменяется режим работы асинхронной машины: генератор (s<0), двигатель (0<s<1), тормоз (S>1). Пуск асинхронного двигателя осуществляют подключением его статорных обмоток непосредственно к сетевому напряжению (прямой пуск), либо к напряжению, пониженному на время пуска одним из известных способов (переключением с “треугольника” на “звезду”, включением в цепь статора добавочных резисторов или реакторов, с помощь понижающего автотрансформатора). Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя осуществляют следующими способами: изменением частоты сети; изменением числа полюсов и изменением скольжения. Последний способ обычно реализуют за счет изменения потерь в цепи ротора с помощью реостата либо за счет изменения питающего напряжения. В процессе эксплуатации асинхронные двигатели могут работать в диапазоне нагрузок (механических мощностей) от холостого хода до номинальной. При этом изменяются его технические показатели (КПД h, коэффициент мощности cos j, потребляемая мощность P1, момент M, скольжение s, частота вращения n). Зависимости параметров от нагрузки называются рабочими характеристиками. Типичные рабочие характеристики асинхронных двигателей приведены на рис.7. При этом индексом “н” обозначены параметры, соответствующие номинальному режиму работы.
Рис. 4. Рабочие характеристики асинхронного двигателя
Пример решения задачи по теме 3. Номинальная мощность трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором Pн=10 кВт, номинальное напряжение Uн=380 B, номинальное число оборотов ротора nн=1420 об/мин, номинальный к.п.д. hн=0.84 и номинальный коэффициент мощности cosjн=0.85. Кратность пускового тока Iп/Iн=6.5, а перегрузочная способность двигателя l=1.8. Определить: потребляемую мощность; номинальный и максимальный (критический) вращающие моменты; пусковой ток; номинальное и критическое скольжения. Построить механические характеристики M=¦(s) и n=¦(M).
Решение. Потребляемая мощность P1н =Pн/hн=10/0,84=11,9 кВт. Номинальный и максимальный моменты: Mн=9550·Pн/nн=9550·10/1420=67,3 Н·м Mм=lMн=1,8·67,3=121 Н·м. Номинальный и пусковой токи: Iн=P1н/( Iп=6,5·Iн=6,5·21,2=138 А. Номинальное и критическое скольжения: sн=(n0-nн )/n0=(1500-1420)/1500=0,053; sк= sн Механические характеристики M=f(s) строятся по уравнению
Задаваясь скольжением s от 0 до 1, подсчитываем вращающий момент. Скорость вращения ротора определяем из уравнения n=n0(1-s), где n0 об/мин-скорость вращения магнитного поля. Расчетные данные приведены в таблице 2. Таблица 2 – Расчетные данные для ассинхронного двигателя
Характеристики, построенные по данным таблицы 2,изображены на рис.8 и 9.
Рис. 5. Зависимость момента от скольжения
Рис. 6. Зависимость числа оборотов от момента
Контрольные вопросы 1. Объясните принцип действия генератора переменного тока. 2. Какие требования предъявляются к обмотке статора и от чего зависит их выполнение? 3. Что такое шаг обмотки по пазам и какой должна быть его величина? 4. Какие применяются средства подавления высших гармоник ЭДС в обмотке статора? 5. Изложите порядок выполнения развернутой схемы трехфазной обмотки статора. 6. Почему лобовые части однослойных концентрических обмоток располагают в нескольких плоскостях? 7. Дайте сравнение двухслойных и однослойных обмоток статора, указав на их достоинства и недостатки. 8. Какие средства подавления высших пространственных гармоник применяют в машинах переменного тока? 9. Дайте сравнительную оценку сосредоточенной и распределенной обмоток статора с точки зрения величины и формы создаваемых ими МДС. 10. Как изменить направление вращения МДС обмотки статора? 11. Каково относительное значение магнитной индукции обратной составляющей поля статора при круговом, эллиптическом и пульсирующем магнитных полях? 12. Что такое скольжение асинхронной машины? 13. Каков диапазон изменения скольжения асинхронной машины в различных режимах ее работы? 14. С какой целью обмотку статора асинхронного генератора подключают к сети трехфазного тока? 15. Каким образом асинхронный двигатель можно перевести в режим электромагнитного торможения? 16. Объясните устройство короткозамкнутого и фазного роторов. 17. Из каких участков состоит магнитная цепь асинхронной машины? 18. Как влияет величина максимальной индукции в зазоре на свойства асинхронного двигателя? 19. Для чего при расчете магнитного напряжения в воздушном зазоре вводят коэффициент воздушного зазора? 20. Как определить коэффициент магнитного насыщения машины? 21. Почему электромагнитные силы в электрической машине приложены главным образом к зубцам сердечника ротора, а не к проводникам обмотки? 22. Какие виды потерь имеют место в асинхронном двигателе? 23. Как определить на круговой диаграмме перегрузочную способность двигателя? 24. Какими показателями характеризуются пусковые свойства асинхронных двигателей? 25. Каковы достоинства и недостатки пусковых свойств асинхронных двигателей с фазным ротором? 26. Каковы достоинства и недостатки пуска двигателей непосредственным включением в сеть? 27. Какие существуют способы пуска асинхронных двигателей при пониженном напряжении? 28. Перечислите способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей и дайте им сравнительную оценку. 29. Почему при частотном регулировании одновременно с частотой тока необходимо менять напряжение? 30. Почему однофазный асинхронный двигатель не создает пускового момента? 31. Каковы условия получения вращающегося магнитного поля посредством двух обмоток на статоре? 32. Как можно повысить пусковой момент в конденсаторном двигателе? 33. С какой целью в двигателе с экранированными полюсами полюса делают расщепленными?
Синхронные машины
Синхронной называется электрическая машина, у которой одна совокупность обмоток получает питание от электрической сети переменного тока с постоянной частотой w1, а другая - возбуждается постоянным током (w2=0). Важное место в теории синхронных машин занимает работа синхронной машины, присоединенной к сети, которая питается мощными генераторами. Исходят из предположения, что общая мощность этих генераторов несоизмеримо велика по сравнению с мощностью синхронной машины (сеть большой мощности). В соответствии с этим считают, что любое изменение режима работы рассматриваемой машины не в состоянии оказать заметного влияния на электрическое состояние сети. Синхронная машина, присоединенная к сети, может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. В обоих режимах вращение ротора происходит с синхронной скоростью без каких-либо устройств для поддержания синхронизма. Изучение процессов, имеющих место в синхронной машине, существенно облегчается, если воспользоваться своего рода механической моделью. Трехфазная система токов в обмотке якоря создает вращающееся магнитное поле. Это поле может быть заменено полюсной системой, скользящей вдоль внутренней поверхности статора с постоянной скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Две вращающиеся полюсные системы – ротора и воображаемая, эквивалентная вращающемуся магнитному полю, - неподвижны одна относительно другой. Между ними возникают силы магнитного притяжения, которые могут быть уподоблены упругим связям, соединяющим обе системы. Благодаря этим связям достигается синхронность вращения ротора и магнитного поля. Если будет превышен известный предел нагрузки машины, то произойдет разрыв упругих связей. После этого скорость вращения ротора становится уже не зависящей от скорости вращения магнитного поля. Это явление называется выпадением из синхронизма. Работа синхронной машины в таком режиме невозможна. Упругие связи между двумя вращающимися полюсными системами могут появиться только в том случае, если обе системы вращаются синхронно. По этой причине пуск синхронного двигателя не может быть произведен прямым включением в сеть. Синхронный двигатель пускается как асинхронный и только после достижения ротором скорости, близкой к синхронной, переводится в синхронный режим. Усложнение процесса пуска является существенным недостатком синхронного двигателя. Для пуска синхронного двигателя необходимо разогнать его ротор с помощью внешнего момента до частоты вращения, близкой к синхронной. В настоящее время для этой цели применяют метод асинхронного пуска, для чего синхронный двигатель снабжают специальной короткозамкнутой пусковой обмоткой. Контрольные вопросы 1. Какие системы возбуждения применяют в синхронных машинах? Дайте им сравнительную оценку. 2. Почему в турбогенераторах не применяют роторов явнополюсной конструкции? 3. Из каких участков состоит магнитная цепь явнополюсной синхронной машины? 4. В чем состоит явление реакции якоря? 5. Каковы действия реакции якоря при активной, индуктивной и емкостной нагрузках синхронного генератора? 6. Почему при активной нагрузке синхронного генератора реакция якоря вызывает ослабление магнитного поля? 7. Напишите уравнения ЭДС явнополюсного и неявнополюсного синхронных генераторов и объясните, каким магнитным потоком наводится каждая из этих ЭДС. 8. Почему характеристика к. з. синхронной машины имеет вид прямой линии? 9. Что такое о. к. з. и как влияет этот параметр на свойства синхронного генератора? 10. Что такое номинальное изменение напряжения синхронного генератора и почему при емкостной нагрузке его значение отрицательно? 11. Какие виды потерь имеют место в синхронной машине? 12. Что такое синхронизация генератора, включаемого на параллельную работу? 13. Какие применяются способы синхронизации генераторов? Изложите их содержание. 14. Как нагрузить генератор, включенный в сеть на параллельную работу? 15. Почему с появлением тока в цепи статора генератора приводной двигатель получает механическую нагрузку? 16. Что такое коэффициент статической перегружаемости? 17. Объясните причину собственных колебаний ротора в синхронном генераторе. 18. Почему колебания ротора имеют затухающий характер? 19. Каковы конструкция и назначение успокоительной обмотки в синхронной машине? 20. Что такое синхронизирующая способность синхронной машины и какими параметрами она оценивается? 21. Почему синхронный генератор следует несколько перевозбудить? 22. Почему переходное индуктивное сопротивление больше сверхпереходного? 23. Чем объясняется затухающий характер тока к. з. при внезапном к. з.? 24. Чем опасен режим внезапного к. з. для синхронного генератора? 25. Чем ограничивается область устойчивой работы синхронного двигателя? 26. Почему синхронный двигатель нуждается в специальных способах пуска? 27. Почему при асинхронном пуске синхронного двигателя обмотку возбуждения нельзя оставлять разомкнутой? 28. Каково назначение синхронного компенсатора? 29. Почему при пуске синхронного двигателя с постоянными магнитами возникает тормозной момент? 30. Объясните физическую сущность возникновения реактивного момента. Как влияет глубина межполюсных впадин на роторе на рабочий и пусковой моменты реактивного двигателя?
Машины постоянного тока
Машиной постоянного тока называют электрическую машину с коммутатором-коллектором. Они находят широкое применение, как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Двигатели постоянного тока обладают большой глубиной регулирования частоты вращения, сохраняют во всем диапазоне регулирования высокий к.п.д. и могут иметь механические характеристики, отвечающие специальным требованиям. Для лучшего понимания ДПТ с различными системами самовозбуждения в части их применения целесообразно рассмотреть зависимости величины момента M = МP(IЯ) и частоты вращения n = nP(IЯ) от тока якоря IЯ для параллельного возбуждения и аналогичных характеристик M = f(IЯ) и n = f(IЯ) для последовательно возбуждения. В двигателях с параллельным возбуждением результирующий магнитный поток в пределах номинальной нагрузки остается постоянным, поэтому MP = kP IЯ и nP = n0 – b IЯ, где kP и b - константы. В двигателях же с последовательным возбуждением магнитный поток пропорционален току поэтому MS = kS IЯ2 и nS = aM0,5 + d (здесь в этих зависимостях kS и d – то же константы). Таким образом, двигатель с параллельным возбуждением обладает жесткой характеристикой n=n0–qM, а двигатель с последовательным возбуждением – мягкой. Поэтому для механизмов, работающих с ударной нагрузкой (пресс, штамповочное устройство, стартер, электропоезд, и др.) пригоден двигатель с последовательным возбуждением и непригоден двигатель с параллельным возбуждением, так как в нем с увеличением нагрузки происходит пропорциональной увеличение тока. Для механизмов же, требующих жесткую механическую характеристику (металлорежущие станки и др.), пригоден двигатель с параллельным возбуждением. На практике используют три способа пуска двигателей постоянного тока: прямой пуск, при котором обмотка якоря подключается непосредственно к сети; реостатный, при котором в цепь якоря включается пусковой реостат для ограничения тока; путем плавного повышения питающего напряжения, подаваемого на обмотку якоря. Двигатели постоянного тока допускают плавное регулирование скорости вращения. Диапазон регулирования ограничен. Увеличение скорости вращения приводит к ухудшению условий коммутации, а уменьшение скорости вызывает увеличение двигателя. Обычно отношение максимальной скорости вращения к минимальной не превышает 3. Регулирование частоты вращения осуществляют тремя способами: посредством добавочного реостата в цепи обмотки якоря; изменением магнитного потока; изменением питающего напряжения.
Пример решения задачи по теме 3.3 Двигатель параллельного возбуждения, присоединенный к сети с напряжением Uн=220 В, потребляет при номинальной нагрузке ток Iн =20,5 A, а на холостом ходу - I0=2,35 A. Сопротивление обмотки якоря rя=0,75 Ом, а в цепи возбуждения rв=258 Ом. Номинальная скорость вращения nн=1025 об/мин. Определить номинальную мощность двигателя (на валу), номинальный к.п.д., номинальный вращающий момент, пусковой ток при пуске двигателя без пускового реостата, сопротивление пускового реостата для условия Iп=2,5I и пусковой момент при пуске двигателя с реостатом. При решении принять, что магнитные и механические потери не зависят от нагрузки. Решение. Номинальная мощность на валу двигателя Pн=P1н–SΔP, Где SΔP – потери в двигателе; P1н – потребляемая мощность: P1н=Uн·Iн=220·20,5=4510 Вт=4,51 кВт. Для определения потерь в цепи якоря и цепи возбуждения надо знать ток в цепи якоря Iя.н и ток возбуждения Iв: Iв=Uн/rв=220/258=0,85 A. Iя.н=Iн-Iв=20,5-0,85=19,65 A. Потери в обмотке якоря и в цепи возбуждения: ΔPя. н=rя·Iя.н2=0,75·19,652=290 Вт; ΔPв=rв·Iв2=258·0,852=186 Вт. Магнитные и механические потери: Pм=P0–Pя.0–Pв, где P0=Uн·I0=220·2,35=517 Вт; ΔPя.0-потребляемая мощность при холостом ходе двигателя: ΔPя.0=rя·(I0-Iв)2=0,75·(2,35-0,85)2=1,7 Вт; ΔPм=517–1,7–186=329,3 Вт; SΔPн=290+186+329,3=805,3 Вт; Pн=4510–805,3=3704,7Вт=3,71 кВт. Номинальный к.п.д. hн= Pн/P1н·100=3,71/4,51=82,2%, Номинальный вращающий момент Мн=9550·(Pн/nн)=9559·(3,71/1025)=34,6 Н·м Пусковой ток двигателя при пуске без реостата Iп=Uн/rя=220/0,75=293 A. Сопротивление пускового реостата определяется из равенства Iп=2,5·Iя.н=Uн/(rя+rр), Откуда rр=(Uн/Iн)–rя=(220/2,5·19,65)–0,75=3,73 Ом. Определяем пусковой момент двигателя при пуске с реостатом. Известно, что вращающий момент двигателя определяется уравнением М=См·Ф·Iя Для режима номинальной нагрузки это выражение принимает вид Мн=См·Ф·Iя.н, а для пускового режима Мп=См·Ф·Iп. Полагая магнитный поток в двигателе постоянным, возьмем отношение моментов Мн/Мп=Iя.н/Iп. Откуда Мп=Мн·(Iп/Iя.н)=34,6·(2,5·19,65)/19,65=86,5 Н·м..
Контрольные вопросы
1. Каково назначение коллектора в генераторе и двигателе постоянного тока? 2. Почему станину машины постоянного тока делают из стали? 3. В чем принципиальное отличие обмотки якоря от обмотки статора бесколлекторной машины переменного тока? 4. Какими параметрами характеризуется обмотка якоря? 5. В чем принципиальное различие между петлевыми и волновыми обмотками? 6. Чем сложные обмотки якоря отличаются от простых? 7. Какими причинами может быть вызвана магнитная несимметрия и каковы ее последствия? 8. В каких обмотках применяют уравнители первого и второго рода? 9. В чем достоинства комбинированной обмотки? 10. Как влияют Ширина секции и положение щеток на ЭДС машины постоянного тока? И какими соображениями руководствуются при выборе типа обмотки якоря? 11. Какие участки входят в магнитную цепь машины постоянного тока? 12. Какие стали применяются для изготовления различных элементов магнитной цепи машины постоянного тока? 13. Каковы нежелательные последствия реакции якоря машины постоянного" тока? 14. Какое влияние на действие реакции якоря оказывает смещение щеток с геометрической нейтрали? 15. Что такое переходная характеристика и как она используется для учета размагничивающего влияния реакции якоря? 16. С какой целью компенсационную обмотку включают последовательно с обмоткой якоря? 17. Почему с увеличением воздушного зазора ослабляется размагничивающее влияние реакции якоря? 18. Какие способы возбуждения применяются в машинах постоянного тока? 19. Какие причины могут вызвать искрение на коллекторе? 20. Какая степень искрения обычно допускается в коллекторной машине и какими, признаками она характеризуется? 21. Почему прямолинейная коммутация не сопровождается искрением? 22. Почему криволинейная замедленная коммутация вызывает искрение? 23. Объясните назначение добавочных полюсов в коллекторной машине? 24. Каковы причины появления кругового огня по коллектору? 25. Какие характеристики определяют свойства генераторов постоянного тока? 26. Какие условия необходимы для самовозбуждения генераторов постоянного тока? 27. Какие методы ограничения пускового тока применяются в двигателях постоянного тока? 28. Как изменяется частота вращения двигателей параллельного, последовательного и смешанного возбуждения при увеличении нагрузки на валу? 29. Благодаря каким свойствам двигатели последовательного возбуждения применяют в качестве крановых и тяговых? 30. Какие виды потерь имеют место в коллекторных машинах и как их определяют? 31. При каких условиях КПД машины постоянного тока становится максимальным?   Что делать, если нет взаимности? А теперь спустимся с небес на землю. Приземлились? Продолжаем разговор...  Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...  Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот...  ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|
,
.
,
.
.
Зависимости 1 (при a=0) соответствуют механические характеристики подъемных машин, лебедок, ленточных и винтовых транспортеров, поршневых насосов с постоянной вы сотой подъема, некоторых механизмов подач металлорежущих стан ков, конвейеров с постоянной массой передвигаемого материала; зависимости 2 (при a = 1) приводы генераторов постоянного тока с независимым возбуждением при работе на постоянную нагрузку; зависимости 3 (при a=2) – вентиляторы, центробежные насосы, гребные винты, зависимости 4 (при a=-1) – некоторые металлорежущие станки.
Для механических характеристик электродвигателей характерно уменьшение скорости вращения при возрастании крутящего момента. Это изменение характеризуется жесткостью механической характеристики. Типовые характеристики различных электродвигателей приведены на рисунке 4.
·Uн·cos jн)=11,9·1000/1,73·380·0,84=21,2 А;
=0,053·(1,8+(1,82-1)=0,175
. (ф-ла Клосса)
