Лекции по электрическим машинам (двигатель и генератор постоянного тока и трансформатор)

Добавлен: 25.01.2023
Размер: 1 MB
Закачек: 1

Узнать, как скачать этот материал

Телеграм бот для поиска материалов

Покупка оптом ваших чертежй

Подписаться на ежедневные обновления каталога:

t.me/alldrawings

vk.com/alldrawings

Описание

Лекции по электрическим машинам (двигатель и генератор постоянного тока и трансформатор)

Состав проекта

85a9d9bf-5613-4e4e-933b-baae932a29ba.zip [ 1 MB ]

Заочники 2012

Лабораторная работа №1 (генератор постоянного тока)

Чертеж1.dwl2 [ 228 bytes ]

Заготовка к лабораторной работе №1.doc [ 68 KB

]

Лабораторная работа №1 (ГПТ).doc [ 414 KB

]

Лабораторная работа №1 (ГПТ).dwg [ 81 KB

]

Чертеж1.dwl [ 58 bytes ]

Лабораторная работа №6 (Исследование трёхфазных трансформаторов)

Заготовка отчёта по лабораторной работе №6 (Исследование трёхфазного трансформатора).doc [ 105 KB

]

Лабораторная рабта №6 (Исследование трёхфазных трансформаторов).doc [ 451 KB

]

Задания на контрольную АЭПЗ-101.xls [ 32 KB ]

ЭМ пекции Ч1

ДПТ лекция.doc [ 827 KB

]

Трансформатор лекция.doc [ 182 KB

]

ГПТ лекция.doc [ 228 KB

]

Вопросы к экзамену по ЭМ тр и мпт.doc [ 28 KB

]

Лабораторная работа №2 (двигатели постоянного тока)

Лабораторная работа №2 (ДПТ).dwg [ 83 KB

]

Заготовка по лабораторной работе №2.doc [ 98 KB

]

Лабораторная работа №2 (ДПТ).doc [ 454 KB

]

Задания на контрольную АЭПЗ-102.xls [ 30 KB ]

Дополнительная информация

Контент чертежей

Заготовка к лабораторной работе №1.doc

Лабораторная работа №1 (ГПТ).doc

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеративное агентство по образованию
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет»
Электротехнический факультет
Кафедра “Электропривод и автоматизация промышленных установок”
Методические указания к лабораторной работе
по курсу “Электрические машины”
Для студентов специальности 1-53 01 05
“Автоматизированные электроприводы”
Лабораторная работа № 1
“Исследование генераторов постоянного тока”
УДК 621.313 Составитель: Лапицкий В.А.
Методические указания к лабораторной работе №1 “Исследование генераторов постоянного тока”
по дисциплине «Электрические машины». Для студентов специальности 1-53 01 05
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры “Электропривод и АПУ”
февраля 2012г. протокол №6.
БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Изучить устройство генератора постоянного тока независимого возбуждения и приобрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик получить экспериментальное подтверждение свойств генератора постоянного тока независимого возбуждения теоретическим сведениям.
Основные теоретические сведения
Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели двигатели внутреннего сгорания и т.д.
Генераторы находят применение в тех отраслях промышленности где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (металлургические и электролизные предприятия транспорт и др.).
В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто используют выпрямительные установки но несмотря на это генераторы продолжают находить широкое применение.
Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
Генератор постоянного тока независимого возбуждения выполняется с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.
В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения располагаемая на главных полюсах подключается к независимому источнику питания. Ток цепи возбуждения может изменяться в широких пределах. Мощность потребляемая обмоткой возбуждения невелика и в номинальном режиме составляет 1—5 % номинальной мощности снимаемой с якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.
Магнитоэлектрические генераторы возбуждаются постоянными магнитами из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.
Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2 независимой обмотки возбуждения Н1-Н2 параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2 последовательной обмотки возбуждения С1-С2 обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2 компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало а цифра 2 — конец обмотки.
В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором вращающаяся часть — якорем.
По конструктивному выполнению машина постоянного тока (рисунок 2) подобна обращенной синхронной машине у которой обмотка якоря расположена на роторе а обмотка возбуждения — на статоре. Основное отличие заключается в том что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор а на статоре помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения — добавочные полюсы которые служат для уменьшения искрения под щетками.
Рисунок 2 - Устройство машины постоянного тока;
— коллектор 2 — щетки 3 — сердечник якоря 4 — главный полюс 5 — катушки обмотки возбуждения 6 — корпус (станина) 7 — подшипниковый щит 8 — вентилятор 9 — обмотка якоря.
Статор состоит из станины и главных полюсов. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы для крепления машины к фундаментальной плите.
На статоре расположены главные и добавочные полюсы с катушками обмотки возбуждения. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу который является частью магнитной цепи машины. Главные и добавочные полюсы выполняют из стальных штампованных листов.
Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника и полюсной катушки. Со стороны обращенной к якорю сердечник полюса имеет полюсный наконечник который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.
Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки добавочных полюсов — из полосовой меди. Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала посредством которых образуются вентиляционные каналы.
В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью 1кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый) а затем надевают на сердечник полюса.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала сердечника с обмоткой и коллектора. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком собирают в пакет. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи возникающие в результате его перемагничи-вания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы в которые укладывают обмотку якоря.
Обмотку якоря изготавливают из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных заранее намотанных якорных катушек которые дополнительно изолируют и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек — одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одновитковыми и многовитковыми.
Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.
Коллектор выполняют в виде цилиндра собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди. Между пластинами располагают изоляционные прокладки из миканита. Узкие края коллекторных пластин имеют форму «ласточкина хвоста». Верхняя часть коллекторных пластин называемая петушком имеет узкий продольный паз в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.
В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу. Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток их фрезеруют на 08—15мм ниже поверхности коллектора.
Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток располагаемых в щеткодержателях. Щетки представляют собой прямоугольные бруски из материала составленного на основе графитового порошка. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины.
Щеткодержатель состоит из обоймы в которую помещают щетку курка представляющего собой откидную деталь передающую давление пружины на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом. Щетка снабжается гибким тросиком для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины — плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.
Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора омывает нагретые части (коллектор обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.
Таким образом коллекторная машина сложнее бес коллекторной машины переменного тока и следовательно уступает ей (особенно асинхронной машине) в надежности и имеет более высокую стоимость.
2 Принцип действия генератора постоянного тока.
На рисунке 3 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abсd концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам образующим простейший коллектор. Щетки А и В осуществляют скользящий контакт с коллектором и связывают генератор с внешней цепью (нагрузка сопротивлением R).
Предположим что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки тогда в витке на якоре вращающемся в магнитном поле постоянного магнита наводится ЭДС мгновенное значение которой определяется формулой:
где Вх - индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора;
а — окружная скорость якоря;
— длина проводника в магнитном поле.
Рисунок 3 - Упрощенная модель коллекторной машины
В процессе работы генератора якорь вращается и виток abсd занимает разное пространственное положение поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора т. е. ток неизменный по направлению. При положении витка якоря ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно щетка А является положительной а щетка В — отрицательной. После поворота якоря на 180° направление тока в витке якоря изменится на обратное однако полярность щеток а следовательно и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными. Объясняется это тем что в тот момент когда ток в витке якоря меняет свое направление происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом под щеткой А всегда находится пластина соединенная с проводником расположенным под северным магнитным полюсом а под щеткой В — пластина соединенная с проводником расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.
Таким образом назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.
Обозначим буквой N число активных проводников обмотки и рассчитаем ЭДС якоря Е в предположении что шаг секции у1 равен полюсному делению и щетки установлены на геометрической нейтрали. Тогда ЭДС всех N2a проводников параллельной ветви расположенных под одним полюсом складываются арифметически.
Рисунок 4 - Кривые распределения индукции вдоль окружности якоря и напряжение Uк по коллектору
При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией ЭДС и считать что:
где Вср — среднее значение индукции в пределах полюсного деления :
где се— коэффициент определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы:
На якорь по обмотке которого проходит ток Iа действует электромагнитный момент:
где Fрез — результирующая электромагнитная сила возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.
Сила Fрез представляет собой сумму усилий fх приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря. При достаточно большом числе коллекторных пластин силу Fрез можно считать постоянной:
С учетом значений Вср электромагнитный момент определяется по формуле:
где см — коэффициент зависящий от конструктивных параметров машины:
При работе машины в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным.
Основные соотношения характеризующие работу машины в качестве генератора можно представить в виде приведенных ниже уравнений. Эти уравнения справедливы для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.
Напряжение на выводах генератора всегда будет меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения:
Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: — падения напряжения в обмотках —падения напряжения в щеточном контакте. Сопротивление включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае:
где rа rД rс rк — сопротивления обмоток якоря дополнительных полюсов последовательной (сериесной) и компенсационной.
В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в будет отсутствовать.
Для приближенных расчетов уравнение (13) можно упростить:
Переходное сопротивление щеточного контакта rщ приближенно принимается постоянным и равным:
Ток якоря генератора Ia обусловлен ЭДС Е и всегда имеет с ней одинаковое направление:
Уравнение баланса мощности получим если правую и левую часть (15) умножим на ток Iа:
Произведение называется электромагнитной мощностью и представляет собой полную электрическую мощность которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках и в переходном сопротивлении щеточного контакта . Остальная часть мощности равная произведению является отдаваемой мощностью генератора.
3 Характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения
Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными характеристиками являются характеристики холостого хода нагрузочная внешняя регулировочная. Указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря (n=nном=соnst). Они могут быть получены как экспериментальным так и расчетным путем.
3.1 Характеристика холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения
Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС Е на выводах генератора от тока возбуждения при разомкнутой цепи якоря.
В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении а затем в другом эта зависимость построенная в четырех квадрантах имеет вид петли показанной на рисунке 5.
Рисунок 5 - Полная петля характеристики холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения
Несовпадение кривых полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения объясняется наличием гистерезиса в стали из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рисунке 5 показана штриховой линией). При Iв=0 в обмотке якоря наводится ЭДС Еост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Она примерно равна 1—3 % номинального напряжения машины.
Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли которую получают уменьшая ток Iв от максимального значения до нуля.
В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения а затем рост ЭДС замедляется что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.
Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.
3.2 Характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока независимого возбуждения
Характеристика короткого замыкания Iа=f(iв) при U=0 и n=const для генератора независимого возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника.
Рисунок 6 - Характеристика короткого замыкания гпт независимого возбуждения
Характеристика короткого замыкания снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U=0 то:
и так как Ra мало то в условиях опыта ЭДС Еа также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начинать снятие характеристики короткого замыкания с минимальных значений iв чтобы ток якоря не превысил (125 — 15)Iном.
Так как при снятии характеристики короткого замыкания электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена то зависимость I=f(iв) практически прямолинейна (рисунок 6). При iв=0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток и в крупных машинах близок к номинальному току или даже больше его.
В размагниченной машине характеристика короткого замыкания начинается с нуля (штриховая линия на рисунке 6). Если характеристика короткого замыкания снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 6) то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат.
3.3 Внешняя характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает как изменяется напряжение U на выводах машины при возрастании тока нагрузки Iа если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешнюю характеристику U=f(Ia) получают при Iв=соnst Rв=const и n=const т. е. без регулирования в цепи возбуждения при естественных условиях работы. С помощью реостата Rв устанавливают ток возбуждения iв=Iв.ном таким чтобы при номинальном токе нагрузки Iном напряжение на выводах машины было номинальным. Изменяя ток нагрузки получают другие точки внешней характеристики (рисунок 7).
Ток возбуждения соответствующий U=Uном при I=Iном называется номинальным током возбуждения Iв.ном. В процессе эксперимента этот ток поддерживается постоянным.
Рисунок 7 - Внешняя характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения (рабочая область)
По внешней характеристике определяют номинальное изменение напряжения ΔU. Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:
ΔU=10—15% для генераторов независимого возбуждения.
3.4 Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Как следует из рассмотрения внешней характеристики генератора при изменении нагрузки напряжение на его выводах не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения для сохранения неизменным напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика представляющая собой зависимость Iв=f(Iа) при U=const и n=const.
Рисунок 8 - Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Начинают снимать ее с холостого хода когда ток нагрузки Iа=0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения Iв необходимо несколько увеличивать чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.
3.5 Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость ее от насыщения машины и тока якоря.
Эта характеристика представляет собой зависимость U=f(Iв) при условии Iа=const и n=const.
Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения начиная от максимального его значения.
Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику 2 удобно построить на одном графике с нисходящей ветвью характеристики холостого хода 1 (рисунок 9). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа=0.
Рисунок 9 - Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря которые уменьшают поток и ЭДС машины.
Составляющую реакции якоря оказывающую воздействие на поток и ЭДС машины можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря (IaRa) (отрезок аb) получим зависимость ЭДС наводимой в обмотке якоря при нагрузке от тока возбуждения (штриховая кривая на рисунке 9) (ток Iа равен току при котором снималась нагрузочная характеристика).
Для получения одной и той же ЭДС Е' при холостом ходе требуется ток возбуждения Iв1 а при нагрузке — ток Iв2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению потока и ЭДС наводимой в обмотке якоря.
В общем случае разность (Iв2 — Iв1) пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей якоря Fqd и продольной реакции якоря Fd. При щетках установленных на геометрической нейтрали можно считать что разность
(Iв2 — Iв1)=Iqd . Соединяя между собой точки а Ь и с получаем треугольник носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен Iqd и соответствует продольной реакции якоря а вертикальный аЬ равен IaRa соответствует поперечной реакции якоря.
Характеристический треугольник иногда используется для построения других характеристик машины при этом приближенно принимается что его оба катета изменяются пропорционально току Iа.
Задание на выполнение лабораторной работы.
1 Записать паспортные данные электрических машин в отчет.
2 Записать данные измерительных приборов в таблицу 1.
Таблица 1 – Данные измерительных приборов
3 Ознакомиться со схемой и порядком включения стенда.
4 Снять и построить характеристику холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения. Определить ЭДС остаточного магнетизма Еост и степень насыщения магнитной цепи машины.
5 Снять и построить характеристику короткого замыкания генератора постоянного тока независимого возбуждения. Рассчитать сопротивление якорной цепи Ra .
6 Снять и построить внешнюю характеристику генератора постоянного тока независимого возбуждения. Определить номинальное изменение напряжения ΔU на якоре машины.
7 Снять и построить регулировочную характеристику генератора постоянного тока независимого возбуждения. Определить номинальное изменение тока возбуждения ΔIв.ном .
8 Снять и построить нагрузочную характеристику генератора постоянного тока независимого возбуждения. Построить реактивный треугольник. Определить размагничивающее действие реакции якоря.
9 Сделать обработку полученных данных. Провести анализ результатов лабораторной работы и составить подробный отчет.
При анализе результатов необходимо сравнить параметры и данные генератора с паспортными данными.
Порядок работы с лабораторной установкой.
Исследование характеристик генератора постоянного тока независимого возбуждения проводится по схеме представленой на рисунке 1.
Универсальный стенд состоит из двух машин постоянного тока М1 и М3 установленных на одном валу с гонным двигателем переменного тока М2 и тахогенератором М4; источника регулируемого напряжения U1 и источника выпрямленного нерегулируемого напряжения нагрузочного реостата регулировочных реостатов R1 и измерительных приборов; переключателей.
Для включения лабораторного стенда в работу необходимо собрать схему (рисунок 1).
1 Опыт холостого хода
Характеристика холостого хода Ua=f(Iв) снимается при Ia=0; N=Nном=const.
Для получения характеристики холостого хода нужно измерить напряжения генератора Ua при различных значениях тока возбуждения Iв. Результаты измерений записать в таблицу 2 и по ним начертить зависимость Ua=f(Iв) в форме петли гистерезиса. Обычно за характеристику холостого хода принимают усредненную линию первого квадрата Ua=f(Iв). Петлю гистерезиса условно разделяют на 5 участков: 0-А А-В В-С С-D D-А. В опыте достаточно снять 5 показаний приборов на каждом участке.
Опыт холостого хода проводят следующим образом:
) включить гонный двигатель М2 с помощью кнопки "ПУСК";
) включить источник регулируемого напряжения U1 с помощью автоматического выключателя
) изменяя напряжение U1 постепенно увеличить ток возбуждения генератора до получения напряжения Ua=(11 - 12)Ua ном которое соответствует точке A;
) изменяя напряжение U1 постепенно уменьшить ток возбуждения генератора до нуля что соответствует точке B;
) переключателем SA1 изменить полярность тока в обмотке возбуждения генератора;
) переключателем SA3 изменить полярность подключения измерительных приборов PA2 и
) изменяя напряжение U1 постепенно увеличить ток возбуждения до получения напряжения Ua=(11 - 12)Ua.ном другой полярности которое соответствует точке C;
) изменяя напряжение U1 постепенно уменьшить ток возбуждения генератора до нуля что соответствует точке D;
) переключатели SA1 и SA3 вернуть в положение 1;
) изменяя напряжение U1 постепенно увеличить ток возбуждения до получения напряжения Ua=(11 - 12)Ua ном которое соответствует точке A;
Показания приборов PA1 и PV2 заносят в таблицу 2 и по ним строят характеристику холостого хода генератора Ua=f(Iв).
Таблица 2 – Данные опыта холостого хода
Значение величины опыта
N =Nном=1500 обмин=const
2 Опыт короткого замыкания
Характеристика короткого замыкания Iк=f(Iв) при Ua=0 N=Nном=const.
Уменьшая ток возбуждения до нуля установить напряжение генератора Ua=0.
Иногда напряжение генератора при Iв=0 за счет остаточного намагничивания может составлять 5-10 вольт. Чтобы размагнитить машину и снять остаточное напряжение необходимо переключив переключатель SA1 подать в обмотку возбуждения небольшой ток другой полярности и добиться чтобы напряжение генератора стало Ua=0 (для проведения опыта SA1 вернуть в исходное состояние и проверить условие Ua=0).
Включить переключатель SA2 и замкнуть накоротко якорь генератора М2 закоротив реостат R2. У полностью размагниченной машины М2 при Iв=0 Iк=0.
Медленно увеличивая ток возбуждения установить ток короткого замыкания Iк=1А. Учитывая что характеристика короткого замыкания имеет линейный характер достаточно записать в таблицу 3 две точки при Iв=0 и Iвк.
Таблица 3 – Данные опыта короткого замыкания
N=Nном=1500 обмин=const Ua=0;
Rя=Rя ном Ом при t=20°С.
На одном рисунке с характеристикой короткого замыкания начертить начальный участок характеристики холостого хода (Ua10 В) приняв в новом масштабе ось координат за ось напряжения Ua и построить характеристический треугольник abc. Для построения треугольника определить по характеристике короткого замыкания ток возбуждения Iвк соответствующий Iк=Iн и провести параллельно оси ординат линию Iвк=const. Вычислить падение напряжения на сопротивлении якоря Iн×Rя приняв Rя= Rя ном Ом и отложить его на оси ординат в масштабе напряжения. Через эту точку провести горизонтальную линию до пересечения с прямой Iвк=const точки a b c определяют характеристический треугольник у которого катет ab в масштабе тока возбуждения представляет размагничивающую реакцию якоря катет bc - падение напряжения на сопротивлении якорной цепи.
3 Внешняя характеристика
Внешняя характеристика Ua=f(Ia) при Iв=const n=const.
Опыт проводят следующим образом:
а) изменяя ток возбуждения генератора постепенно увеличивают напряжение Uа до значения Ua=120 В;
б) не изменяя тока возбуждения постепенно нагружают генератор М1 при помощи реостата R2 до тока Ia=(10 - 11)Iном;
в) значения Ua и Ia занести в таблицу 4.
Таблица 4 – Внешняя характеристика
N=Nном=1500 обмин=const Iв= ..mА=
По данным отчета начертить внешнюю характеристику и рассчитать по ней величину падения напряжения генератора при номинальной нагрузке:
гдеUo - напряжение генератора при Ia=0;
Uном - напряжение генератора при Ia=Iном.
4 Нагрузочная характеристика
Нагрузочная характеристика Ua=f(Iв) Ia=05×Iном=const n=nном=const.
а) изменяя ток возбуждения генератора постепенно увеличивают напряжение Uа до значения Ua=110 В;
б) нагрузить генератор при помощи реостата R2 до тока Ia=05×Iном;
в) изменяя ток возбуждения Iв и поддерживая ток нагрузки Ia=05×Iном постоянным снять несколько точек нагрузочной характеристики.
Значения Ua и Iв занести в таблицу 5.
Таблица 5 – Нагрузочная характеристика
N = (Nном) = 1500 обмин = const Iа = Iном =
По результатам измерений начертить нагрузочную характеристику. Она может быть построена графически с помощью характеристического треугольника путем перемещения его вершины a по известной характеристике холостого хода.
5 Регулировочная характеристика.
Регулировочная характеристика Iв=f(Ia) строится при Ua=const n=nном=1500обмин=const.
а) изменяя напряжение U1 постепенно увеличивают ток возбуждения генератора до напряжения Ua=110 В;
б) постепенно нагружая генератор до Ia=Iном увеличивают ток возбуждения так чтобы установленное напряжение оставалось постоянным;
Записать значения Ia и Iв в таблицу 6.
Таблица 6 – Регулировочная характеристика
Ua=110 В; n=(nном)=1500 обмин=const.
По результатам измерений построить регулировочную характеристику.
1 Устройство генератора постоянного тока независимого возбуждения. Основные элементы конструкции их назначение. Материалы применяемые в генераторе постоянного тока независимого возбуждения.
2 Зачем сердечник якоря набирают из тонких листов электротехнической стали?
3 Реакция якоря и методы ее устранения в генераторе постоянного тока независимого возбуждения.
4 Коммутация в генераторе постоянного тока независимого возбуждения. Способы улучшения коммутации.
5 Круговой огонь на коллекторе и методы его устранения.
6 Показать построение характеристики холостого хода генератора постоянного тока независимого возбуждения. Определить насыщение магнитной цепи по характеристике холостого хода.
7 Почему с увеличением нагрузки уменьшается напряжение на выходе генератора постоянного тока независимого возбуждения?
8 Записать уравнение равновесия для якорной цепи генератора постоянного тока независимого возбуждения.
9 Показать построение по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику внешней характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения.
10 Показать построение по характеристике холостого хода и характеристическому треугольнику регулировочной характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения.
11 Почему характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока независимого возбуждения прямолинейна?
12 Как определить размагничивающее действие реакции якоря?
13 Закон электромагнитной индукции. Как определяют направление ЭДС в проводнике?
14 Чем объясняется падающий характер и нелинейность внешней характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения?
Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин.
Изд.4-е. -Л.: Энергоатомиздат 1984 - 408 с. 621.313ж 52.
Кацман М. М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу. - М.:В.ш.1983. - 216 с.
Кацман М. М. Электрические машины: Учебник для студентов средних профессиональных учебных заведений. 3-е издание исправленное - М.:Высщая школа2000. - 463с.:ил.УДК 621.313 ББК31.26 К30.
Костенко М. П. Пиотровский Л. М. Электрические машины. ч.2. - Л.: Энергия 1973. - 648 с.
Николаев С. А. и др. Практикум по электрическим машинам и аппаратам. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам М.: Энергия 1975. – 126 c.
ГОСТ7217-79 (СТ. СЭВ168-75). Электродвигатели трёхфазные асинхронные. Методы испытаний. - М.: Госстандарт.
ГОСТ183-74 (СТ. СЭВ1346-78). Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия. - М.: Госстандарт.
Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. – 2-е издание переработанное – М.: Высшая школа; «Логос»; 2000.-607с. УДК 621.313 ББК31.26 К65.
Вольдек А. И. Электрические машины. - Л.: Энергия 1978. - 832с.

Лабораторная работа №1 (ГПТ).dwg

Заготовка отчёта по лабораторной работе №6 (Исследование трёхфазного трансформатора).doc

Лабораторная рабта №6 (Исследование трёхфазных трансформаторов).doc

ДПТ лекция.doc

Двигатели постоянного тока
Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.
Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов переменного тока производство двигателей постоянного тока в процентном отношении к двигателям переменного тока не сокращается и они находят новые области применения.
Двигатели постоянного тока допускают плавное и экономичное регулирование скорости вращения. Это преимущество перед двигателями переменного тока обеспечивает применение двигателей постоянного тока в электроприводах с широким диапазоном изменения скорости вращения. Двигатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных станов станков на транспорте и в других системах автоматизированного электропривода.
По способу возбуждения двигатели постоянного тока так же как и генераторы делятся на двигатели независимого параллельного последовательного и смешанного возбуждения. Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока или на зажимы двигателя и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.
Двигатель постоянного тока потребляет электрическую мощность P1 из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке возбуждения Рв электрические потери в обмотке якоря Рэа и электрические потери в контакте щеток Рэщ а остальная ее часть передается магнитным полем к якорю. Эта мощность называется электромагнитной.
Электромагнитная мощность РЭМ расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода якоря РМ механических РМХ и добавочных Рд потерь. Оставшаяся ее часть Р2 является полезной механической мощностью на валу двигателя.
Рисунок 1 – Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока.
Различают два вида потерь — основные и добавочные. Основные потери разделяются на магнитные механические и электрические.
Магнитные потери РМ происходят только в сердечнике якоря так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь состоит из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов и зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря толщины листов электротехнической стали ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.
Механические потери РМХ обусловлены потерями на вентиляцию трением вращающихся частей машины — трением в подшипниках трением щеток о коллектор. Величина механических потерь зависит от скорости вращения якоря.
Магнитные и механические потери называют постоянными потерями так как мощность этих потерь не зависит от нагрузки машины.
Аналитический расчет магнитных и механических потерь — сложная задача и не дает достаточной точности. Для определения этих потерь иногда пользуются экспериментальным методом.
Коэффициент полезного действия
В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь — добавочных. Поэтому согласно ГОСТ для двигателей без компенсационной обмотки значение добавочных потерь Рд принимают равным 1% от подводимой мощности. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равным 05%.
Мощность P1 (Вт) для двигателя постоянного тока (электрическая мощность или подводимая мощность):
Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляемой):
Обычно КПД машин постоянного тока составляет 075—09 для машин мощностью от 1кВт до 100кВт и 09—097 для машин мощностью свыше 100кВт. У машин постоянного тока малой мощности КПД намного меньше.
Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять:
а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной P1 и отдаваемой P2 мощностей;
б) косвенным методом по результатам измерений потерь.
Метод непосредственной нагрузки применим только для машин малой мощности для остальных случаев применяется косвенный метод как более точный и удобный.
Рисунок 2 – Зависимость =f(Р2)
Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя когда потребляемая машиной постоянного тока мощность затрачивается только на потери холостого хода. Что же касается электрических потерь то их определяют расчетным путем после предварительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.
Принцип действия двигателя постоянного тока
Электрические машины обладают свойством обратимости т. е. они могут работать как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре вращающий электромагнитный момент Мэм.
где – угловая частота вращения якоря (радс).
Под действием электромагнитного момента якорь машины начнет вращаться т.е. машина будет работать в режиме двигателя.
В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа направление которой определяют по правилу «правой руки». В двигателе ЭДС направлена против тока Ia и поэтому ее называют противо-ЭДС якоря.
Для двигателя работающего с постоянной частотой вращения подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря:
На основании уравнения (7) ток якоря определяется по формуле:
Умножив обе части уравнения (7) на ток якоря Ia получим уравнение мощности для цепи якоря:
где — электрическая мощность подводимая к якорю;
— мощность электрических потерь в цепи якоря.
- электромагнитная мощность представляющая собой полную электрическую мощность которая преобразуется в полезную механическую мощность и расходуется на покрытие магнитных (потери в стали якоря) механических и добавочных потерь.
Ток якоря двигателя определяется формулой (8). Если принять U и неизменными то ток Iа зависит от противо-ЭДС Еа.
В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Еа=0). Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток:
Обычно сопротивление ra невелико поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.
Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых он может вызвать в машине круговой огонь а во-вторых при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. Этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети что неблагоприятно отражается на работе других потребителей включенных в эту сеть.
Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть обычно применяют для двигателей мощностью не более 1кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).
По мере разгона якоря двигателя ступени пускового реостата плавно выводятся и пуск двигателя заканчивается. Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 2—3 раза.
Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно так как это вызывает значительные потери энергии. Кроме того пусковые реостаты обладают большими массогабаритными показателями. Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск двигателя путем плавного изменения напряжения.
Характеристики двигателя постоянного тока
Основными характеристиками по которым оцениваются рабочие свойства двигателя являются:
) скоростная характеристика (электромеханическая) n=f(Ia) — зависимость скорости вращения якоря от тока якоря;
) моментная характеристика Mэм=f(Ia) — зависимость электромагнитного момента от тока якоря;
) механическая характеристика n=f(Mэм) — зависимость скорости вращения якоря от электромагнитного момента.
При снятии характеристик нагрузочный момент изменяют от 0 до 11—12Мном.
Номинальный момент Мном (Н·м) определяют по формуле:
где - номинальная угловая частота вращения якоря которая определяется по формуле:
ЭДС двигателя определяется по формуле:
Тогда скорость вращения якоря двигателя (обмин):
Подставив значение Еа из формулы (7) получим выражение скоростной характеристики:
т. е. скорость вращения якоря двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.
Если к валу машины не будет приложен нагрузочный момент (М2=0) то двигатель будет работать на холостом ходу при этом ток в якоре Ia=I0 а скорость n=n0. Ток I0 — ток холостого хода — создает электромагнитный момент Мо необходимый для преодоления существующего в самом двигателе тормозного момента обусловленного силами трения и магнитными потерями. Этот ток относительно мал и составляет 2—5% от номинального.
Работа двигателя при М=0 и Iа=0 называется идеальным холостым ходом. Согласно формулы (15) скорость якоря при идеальном холостом ходе равна:
Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу выраженное в процентах называют номинальным изменением скорости вращения якоря:
В двигателях независимого и параллельного возбуждения изменение скорости при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке мало и составляет 2—5%. Такие слабо падающие скоростные и механические характеристики называются жесткими.
Скоростную характеристику двигателя n=f(Ia) снимают при Iв=Iвном=const и U=Uном=const. Номинальный ток возбуждения Iвном устанавливают так чтобы обеспечить номинальную скорость nном при Iа=Iаном и номинальном подведенном напряжении Uном .
Скоростные характеристики показаны на рисунке 3. Их анализ проведем исходя из уравнения (15).
Рисунок 3 - Скоростные характеристики двигателя постоянного тока
независимого возбуждения
При U=Uном=const на скорость якоря будут оказывать влияние два фактора: падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря уменьшающее поток. Поток двигателя при нагрузке
где Ф0 — поток созданный током возбуждения; — уменьшение потока из-за размагничивающего действия поперечной реакции якоря.
Тогда при возрастании тока якоря падение напряжения будет стремиться уменьшить скорость а — увеличить.
Вид скоростной характеристики зависит от того какой из этих факторов будет действовать сильнее. При более сильном влиянии падения напряжения характеристика имеет падающий характер (сплошная линия на рисунке 3) а если будет преобладать действие реакции якоря то она может иметь возрастающий характер (штриховые линии).
Нормальная работа двигателя возможна только при падающей характеристике.
Моментную характеристику двигателя Mэм=f(Ia) снимают при Iв=const.
Зависимость электромагнитного момента от тока якоря описывается уравнением:
Если бы при Iв=const поток Ф оставался постоянным то момент был бы пропорционален току якоря Ia и моментная характеристика представляла бы прямую линию выходящую из начала координат (штриховая прямая на рисунке 4).
Рисунок 4 – Моментная характеристика двигателя постоянного тока
Действительная характеристика из-за уменьшения потока вследствие размагничивающего действия реакции якоря пойдет ниже и будет отклоняться от линейной зависимости (сплошная линия на рисунке 4). Однако расхождение между этими характеристиками невелико и во многих практических расчетах может не учитываться.
Механическую характеристику двигателя n=f(Mэм) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Выразим ток Iа из выражения (19).
Подставив (20) в (15) получим аналитическое выражение механической характеристики:
Вид механической характеристики двигателя независимого возбуждения такой же как и у скоростной характеристики. Если принять пропорциональную зависимость между моментом и током якоря то при одних и тех же значениях U и Iв скоростная характеристика в другом масштабе будет являться и механической характеристикой.
Рабочие характеристики двигателя М P1 Iа n =f(P2) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Рисунок 5 - Рабочие характеристики двигателя постоянного тока
С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент двигателя М а скорость вращения n немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности P1 забираемой из сети и росту тока якоря Iа. При холостом ходе (Р2=0) КПД=О затем с увеличением Р2 сначала КПД быстро растет но в связи с большим ростом потерь в цепи якоря при больших нагрузках снова начинает уменьшаться.
Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому изменив направление какой-либо из указанных величин можно изменить направление вращения якоря.
Устойчивость двигателя
Важно чтобы работа двигателя вместе с производственным механизмом протекала устойчиво. Под устойчивой работой двигателя понимается его способность вернуться в исходную точку равновесия после кратковременного действия возмущающих сил нарушивших это равновесие. Оценку устойчивости производят из совместного рассмотрения механических характеристик двигателя и производственного механизма.
Рисунок 6 - К определению устойчивости работы двигателя
совместно с механизмом
Работа двигателя независимого возбуждения может быть устойчивой и неустойчивой. Неустойчивая работа будет наблюдаться при возрастающих механических характеристиках двигателя. На рисунке (6) показана такая характеристика двигателя (прямая 1). Там же дана механическая характеристика для механизма приводимого во вращение двигателем (прямая 2). Для него принята зависимость Мс=М2=const являющаяся типичной для целого ряда механизмов (подъемные краны механизмы подачи для металлорежущих станков и т. д.). Пересечение этих прямых является точкой равновесия моментов М=Мс (точка а) и соответствует установившемуся режиму работы.
Предположим что в результате действия каких-либо возмущающих сил скорость увеличится на Δn. Тогда момент двигателя увеличится до М1 и возникнет положительный динамический момент так как М1—Mc>0. Под действием избыточного момента двигателя скорость n начнет нарастать разность М—Мс еще больше увеличится что приведет к дальнейшему возрастанию скорости и т. д. Если в результате возмущения скорость уменьшится то М—Мс0 и скорость будет непрерывно уменьшаться. Отсюда следует что точка а является точкой неустойчивого равновесия и следовательно нормальная работа двигателя с возрастающей механической характеристикой невозможна.
Аналогичным путем можно показать что при падающей механической характеристике работа будет проходить устойчиво так как всякое отклонение скорости на ±Δn вызывает появление избыточного момента направленного на восстановление равновесия. В общем виде критерием устойчивой работы является неравенство
Иногда при проектировании двигателей независимого возбуждения в целях уменьшения его размеров и массы принимают повышенные значения линейной нагрузки А и индукции в воздушном зазоре В .
В таких двигателях сильно проявляется размагничивающее действие реакции якоря и получить у них падающую механическую характеристику не удается. Тогда предусматривают специальную обмотку возбуждения (стабилизирующую обмотку) располагаемую на полюсах и включаемую последовательно с якорем. Она имеет всего несколько витков и предназначается для компенсации размагничивающего действия реакции якоря. При наличии такой обмотки поток машины практически не будет изменяться с ростом тока якоря — он будет стабилизирован. Механическая характеристика такой машины будет падающей.
Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения
В двигателе постоянного тока последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I=Iа=Iв .При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока прямо пропорциональна от тока нагрузки т.е.:
где — коэффициент пропорциональности.
С учетом (23) уравнение (15) примет вид:
Уравнение (24) является скоростной характеристикой двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
Рисунок 7 – Скоростная n=f(Iа) и моментная M=f(Iа) характеристики двигателя последовательного возбуждения.
Электромагнитный момент для двигателя постоянного тока последовательного возбуждения с учетом (23) определяется формулой:
где — коэффициент зависящий от конструктивных параметров машины:
Таким образом вращающий момент двигателя при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока а скорость вращения обратно пропорциональна току нагрузки.
Выразив ток Ia из (25) получим:
С учетом и (27) уравнение (24) примет вид:
Уравнение (28) является механической характеристикой двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
Анализ этого уравнения показывает что с увеличением нагрузки на валу двигателя т.е. с увеличением электромагнитного момента Мэм уменьшается скорость вращения якоря.
При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения показывает что скорость вращения якоря двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такая характеристика является мягкой и имеет гиперболический характер.
При уменьшении нагрузки на якоре двигателя последовательного возбуждения скорость вращения якоря резко увеличивается и может достигнуть опасных для двигателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.
Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты или зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя.
Учитывая возможность работы двигателя последовательного возбуждения на повышенных скоростях вращения якоря согласно ГОСТ подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение скорости вращения якоря на 20% сверх максимальной скорости указанной на заводской табличке но не более чем на 50% сверх номинальной скорости.
Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n=f(М) представлены на рисунке 8. Резко падающие кривые механических характеристик обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке.
Рисунок 8 – Механические характеристики n=f(M) двигателя последовательного возбуждения (1 - естественная характеристика; 2 — искусственная характеристика).
Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент пропорциональный квадрату тока нагрузки имеет большое значение особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках.
Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетанием значительных нагрузок на валу двигателя при малой скорости вращения якоря.
Изменение скорости вращения якоря двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу выраженное в процентах называют номинальным изменением скорости вращения:
где — скорость вращения при нагрузке двигателя составляющей 25% от номинальной.
Рабочие характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения
Рабочие характеристики двигателя постоянного тока это — зависимости М P1 I n =f(P2) при постоянном напряжении сети U.
С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент на валу двигателя М а скорость вращения якоря падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности P1 забираемой из сети и росту тока якоря Iа. Зависимость КПД () от нагрузки имеет такой же вид как и для других электрических машин.
Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рисунке 9.
Рисунок 9 – Рабочие характеристики двигателя
последовательного возбуждения.
Устройство двигателя постоянного тока
Двигатели постоянного тока до сих пор находят широкое применение хотя они значительно дороже и менее надёжны чем асинхронные и синхронные. Преимущество ДПТ - возможность плавного и экономичного регулирования в широком диапазоне частоты вращения вала и создания большого пускового момента при относительно небольшом пусковом токе. Поэтому их широко используют в электротранспорте для привода прокатных станов металлорежущих станков и т. д. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.
Недостаток ДПТ - наличие щёточно-коллекторного аппарата который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность машины.
Основными частями двигателя постоянного тока являются статор и якорь отдалённые друг от друга воздушным зазором (03 05 мм).
Статор - это стальной цилиндр 1 внутри которого крепятся главные полюса 2 с полюсными наконечниками 3 образуя вместе с корпусом магнитопровод машины (рисунок 10 а). На главных полюсах расположены последовательно соединённые катушки обмотки возбуждения 4 предназначенные для создания неподвижного магнитного потока Фв машины. Концы Ш1 и Ш2 обмотки возбуждения (ОВ) выводят на клеммный щиток расположенный на корпусе машины. Помимо основных полюсов внутри статора располагают дополнительные полюса 9 с обмотками 10 которые служат для уменьшения искрения в скользящих контактах (между щётками и коллектором).
Рисунок 10 – Устройство двигателя постоянного тока
Якорь (подвижная часть машины) - это цилиндр 5 набранный из листов электротехнической стали снаружи которого имеются пазы в которые уложена якорная обмотка 11 (рисунок 10). Отводы обмотки якоря припаивают к пластинам коллектора 6 расположенного на вращающемся в подшипниках валу 7. Коллектор представляет собой цилиндр набранный из медных пластин изолированных друг от друга и от вала и закреплённых (по технологии "ласточкина хвоста") на стальной втулке. Коллектор играет роль механического выпрямителя переменной ЭДС индуктируемой в обмотке якоря.
К коллектору с помощью пружин прижимаются неподвижные медно-графитовые щётки 8 соединённые с клеммами Я1 и Я2 щитка. Образовавшиеся скользящие контакты дают возможность соединить вращающуюся обмотку якоря (ОЯ) с электрической цепью (снять выпрямленное напряжение с коллектора (генераторный режим) или соединить якорную обмотку с источником постоянного напряжения и распределить токи в стержнях ОЯ таким образом чтобы их направления под разноименными полюсами были бы противоположными (двигательный режим)).
Суммарное сопротивление цепи якоря Rя = 05 5 Ом.
Часть машины в которой индуктируется ЭДС принято называть якорем а часть машины создающей основное магнитное поле (магнитный поток) – индуктором. В машинах постоянного тока якорем является ротор а индуктором – статор.
В зависимости от того как обмотка возбуждения включена относительно сети и якоря различают МПТ независимого возбуждения (ОВ к якорю не подключена) и МПТ с самовозбуждением которое подразделяется на параллельное последовательное и смешанное. На рисунке 11 приведены электрические схемы возбуждения указанных типов МПТ.
Рисунок 11 – Схемы возбуждения двигателя постоянного тока

Трансформатор лекция.doc

Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат с двумя (или больше) обмотками имеющими между собой магнитную связь осуществляемую переменным магнитным полем и служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при сохранении частоты тока неизменной.
Для усиления магнитной связи между обмотками они помещаются на стальном сердечнике (рисунок 1). Трансформаторы не имеющие стального сердечника называются воздушными. Они применяются в специальных случаях при преобразовании переменных токов высокой частоты (от 10000— 20000 Гц и выше). Мы будем рассматривать трансформаторы со стальным сердечником.
Рисунок 1 - Двухобмоточный трансформатор.
Трансформатор имеет не меньше двух обмоток; из них первичной обмоткой 1 называется обмотка которая получает энергию преобразуемого переменного тока вторичными обмотками 2 — обмотки которые отдают энергию преобразованного переменного тока.
Трансформаторы применяются в основном для преобразования однофазного и трехфазного тока. В соответствии с этим различают однофазные и трехфазные трансформаторы.
Впервые трансформаторы получили техническое применение в схемах со свечами Яблочкова. Яблочков разработал конструкцию однофазного трансформатора с разомкнутым сердечником и при своих опытах а также при эксплуатации своих осветительных установок выявил основные его свойства.
Техническое применение для передачи электрической энергии на дальние расстояния трансформаторы начинают получать в конце 80-х годов 18века.
В системе электропередачи трансформаторы являются необходимыми элементами. Передача большой мощности на дальние расстояния практически может быть осуществлена только при относительно небольшом значении тока и следовательно при высоком напряжении.
В начале линии электропередачи устанавливаются трансформаторы повышающие напряжение переменного тока вырабатываемого на электрических станциях. Напряжение в начале линии электропередачи берут тем выше чем больше длина линии и передаваемая мощность. Оно достигает 220—250 кВ при расстоянии 200— 400 км и при мощности 300— 200 тыс кВт. При расстоянии около 1000 км и мощности порядка 1 млн кВт (например для электропередачи Куйбышев — Москва и Волгоград — Москва) требуется напряжение 400—500 кВ.
В конце линии электропередачи устанавливаются понижающие напряжение трансформаторы так как для распределения энергии по заводам фабрикам жилым домам и колхозам необходимы сравнительно низкие напряжения.
Впервые трехфазная линия электропередачи высокого напряжения (15000 В; из Лауфена на Неккаре до Франкфурта-на-Майне протяженность около 175 км) положившая начало широким работам по электрификации была построена при ближайшем участии русского инженера М.О. Доливо-Добровольского. Им же были разработаны конструкции трехфазных трансформаторов основные черты которых сохранились до настоящего времени.
Прежде всего нужно выделить группу силовых трансформаторов которым будет уделено основное внимание в последующем изложении. Это те трансформаторы которые устанавливаются в начале и конце линий электропередачи на заводах и фабриках в жилых домах при электрификации сельского хозяйства. Такие трансформаторы строятся на мощности от нескольких до десятков тысяч киловольт-ампер.
Каждый трансформатор снабжается щитком прикрепленным на видном месте с указанными на нем номинальными величинами. Последние характеризуют режим работы для которого трансформатор предназначен. На щитке трансформатора указываются следующие номинальные величины:
мощность ВА или кВА;
линейные напряжения В или кВ;
линейные токи А при номинальной мощности;
схема и группа соединений;
напряжение короткого замыкания;
режим работы (длительный или кратковременный);
Кроме того на щитке трансформатора приводятся дополнительные данные необходимые при установке и эксплуатации трансформатора:
полный вес трансформатора;
вес выемной (внутренней опущенной в масло) части трансформатора.
Основные элементы устройства
Основными частями трансформатора являются его сердечник и обмотки. Сердечник для уменьшения потерь от вихревых токов собирается из листов специальной электротехнической стали с относительным содержанием кремния до 4—5%. Толщина стали берется 05 или 035 мм (еще более тонкие листы применяются при повышенной частоте тока). Листы перед сборкой сердечника покрываются с обеих сторон лаком что дает более прочную и тонкую изоляцию между листами чем бумага которой иногда оклеиваются листы до нарезки их на полосы.
Сердечник состоит из стержней на которых помещаются обмотки и ярм которые замыкают стержни и не имеют обмоток. Сборка листов (полос) сердечника производится как правило "внахлестку". Таким путем удается свести до весьма малого значения магнитные сопротивления стыков между стержнями и ярмами.
На рисунке 2 показаны отдельные слои листов из которых состоит сердечник однофазного трансформатора а на рисунке 3 — два слоя листов сердечника трехфазного трансформатора.
Рисунок 2 - Листы сердечника однофазного трансформатора при сборке их «внахлестку».
Рисунок 3 - Листы сердечника трехфазного трансформатора при сборке их «внахлестку».
Листы сердечника стягиваются при помощи накладок и шпилек изолированных от листов (рисунок 4). Листы верхнего ярма окончательно закладываются и затем стягиваются после того как помещены обмотки на стержнях сердечника (рисунок 5).
Рисунок 4 - Изоляция шпильки стягивающей листы сердечника.
Рисунок 5 - Сборка сердечника трехфазного трансформатора.
Различные формы сечения стержня и ярма представлены на рисунках-6 и 7. Сечение по рисунку 6а применяется лишь для небольших трансформаторов; сечения по рисунку 6б и в применяются для трансформаторов средней и большой мощности. При большом числе ступеней сечения его периметр приближается к окружности и следовательно при том же сечении стержня уменьшается средняя длина витка обмоток а при этом и количество расходуемой обмоточной меди.
Рисунок 6 - Форма сечения стержней.
Рисунок 7 - Формы сечения ярма.
По выполнению сердечника принято различать два типа трансформаторов: стержневой и броневой. Стержневой тип трансформатора получил преобладающее применение на практике. Однофазный броневой трансформатор показан на рисунке 8. Из броневых трансформаторов в Советском Союзе получили некоторое распространение однофазные броневые трансформаторы малой мощности: радиотехнические звонковые и др.
Рисунок 8 - Однофазный броневой трансформатор с дисковыми
чередующимися обмотками.
Обмотки трансформаторов выполняются в виде цилиндрических катушек из проводников круглого или прямоугольного сечения изолированных хлопчатобумажной пряжей или специальной (кабельной) бумагой.
В зависимости от номинального напряжения следует различать обмотку низшего напряжения и обмотку высшего напряжения Обмотка низшего напряжения (НН) помещается ближе к стержню а обмотка высшего напряжения (ВН) — снаружи; она охватывает обмотку низшего напряжения. При таком расположении обмоток уменьшается расход изоляционных материалов так как обмотка высшего напряжения относительно стержня будет иметь собственную изоляцию и изоляцию обмотки низшего напряжения. Обмотки показанные на рисунке 9 называются концентрическими.
Рисунок 9 - Однофазный стержневой трансформатор с концентрическими обмотками.
Иногда каждую из обмоток разделяют на отдельные катушки и располагают их на стержне в чередующемся порядке как показано на рисунке 10. Такие обмотки называются дисковыми чередующимися. Они на практике встречаются редко и применяются главным образом для броневых трансформаторов (рисунок 8).
Рисунок 10- Дисковая чередующаяся обмотка.
Трансформаторы выполняются с воздушным и масляным охлаждением. Первые называются сухими вторые — масляными. В масляных трансформаторах сердечник вместе с обмотками помещается в баке с маслом. Масляные трансформаторы более надежны в работе. Масло предохраняет изоляцию обмоток от вредного воздействия воздуха улучшает условия охлаждения обмоток и сердечника так как имеет большую теплопроводность чем воздух; кроме того вследствие большой диэлектрической прочности позволяет сократить изоляционные расстояния т. е. расстояния от меди обмоток до стали сердечника.
Потери и коэффициент полезного действия
При работе трансформатора в нем возникают потери — магнитные и электрические.
Магнитные потери или потери в стали Рс принимаются как отмечалось равными потерям холостого хода P0. Они зависят от частоты тока от индукций Вс в стержне и Вя в ярме сердечника а также от весов стержней и ярм. Для уменьшения магнитных потерь и реактивной составляющей тока холостого хода сечение ярма берут несколько больше (на 5—10%) сечения стержня. Потери P0 приблизительно пропорциональны квадрату индукции (В2) и частоте тока в степени 13 (f13).
Электрические потери или потери короткого замыкания пропорциональны квадрату тока.
Коэффициент полезного действия (к.п.д.) трансформатора имеет высокие значения: от 096 при S 5 кВА до 0995 при номинальной мощности составляющей десятки тысяч кВА. Поэтому определение его непосредственным методом по формуле
где Р2 — полезная (вторичная) мощность; Р1 — затраченная (первичная) мощность практически не может дать точных результатов.
Так как потери в трансформаторе невелики то следует определять к.п.д. трансформатора косвенным методом и пользоваться при этом формулой
где — сумма всех потерь в трансформаторе;
rк75 и P0 — активное сопротивление короткого замыкания при 75°С и потери холостого хода которые определяются как указывалось ранее по данным опытов короткого замыкания и холостого хода. Можно считать в обычных условиях U2 = U2н = const P0 = const.
Тогда обозначив получим:
где Sн = mU2I2н — номинальная мощность; Рк н — потери короткого замыкания при номинальных токах в обмотках трансформатора.
В правой части формулы переменной величиной является только . Обычным путем можно найти максимум функции . Для этого приравняем ее первую производную нулю:
В полученной дроби знаменатель при реальных значениях не может быть равным бесконечности. Поэтому нужно приравнять нулю числитель. Отсюда найдем что к.п.д. будет максимальным когда потери короткого замыкания будут равны потерям холостого хода:
т. е. при равенстве переменных потерь постоянным потерям (при изменении нагрузки практически изменяются только потери короткого замыкания).
Для трансформаторов имеем:
P0 : Pк.н = 05÷025 что дает:= 07
Следовательно к.п.д. получается максимальным при нагрузке составляющей 50—70% от номинальной. Такая нагрузка обычно и соответствует средней нагрузке при эксплуатации трансформатора.
При вычислении к.п.д. пользуются формулой
Автотрансформатор отличается от трансформатора тем что у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки высшего напряжения причем она выполняется из проводников в общем случае отличающихся по сечению от проводников другой части и обычно располагается относительно другой части как показано на рисунке 11.
Рисунок 11- Схема понижающего автотрансформатора (а);
расположение частей его обмоток относительно стержня сердечника (б).
Следовательно части Аа и аХ можно рассматривать как обмотки двухобмоточного трансформатора имеющие между собой не только магнитную связь но и электрическую.
Автотрансформаторы могут служить как для понижения так и для повышения напряжения. Они выполняются для небольших коэффициентов трансформации не сильно отличающихся от единицы и в этом случае как показано в дальнейшем экономичнее в работе и требуют на изготовление меньше материалов чем обычные двухобмоточные трансформаторы на ту же номинальную мощность.
За номинальную мощность автотрансформатора принимается мощность
Sн = U1нI1н = U2нI2н.
Приложенное к обмотке А — X напряжение уравновешивается в основном
Электродвижущая сила создает ток во вторичной цепи при этом следовательно
Пренебрегая током холостого хода согласно закону полного тока можем написать:
Ток в общей части обмотки а — X равен геометрической сумме первичного и вторичного токов:
Автотрансформаторы находят себе применение в качестве пусковых для пуска больших синхронных двигателей и короткозамкнутых асинхронных двигателей для осветительных установок (для дуговых ламп переменного тока) для связи сетей с напряжениями мало отличающимися одно от другого. В последнем случае трехфазные автотрансформаторы снабжаются еще одной обмоткой соединенной треугольником для подавления третьей гармоники в кривых магнитных потоках и следовательно в кривых фазных э.д.с.
Автотрансформаторы выполняются также с устройством позволяющим плавно регулировать их вторичное напряжение. Регулирование напряжения осуществляется путем изменения числа витков обмотки при помощи специальных переключателей или контакта перемещаемого непосредственно по обмотке очищенной с одной стороны от изоляции.
Трансформаторы тока.
Трансформаторы тока также выполняются в виде двухобмоточных трансформаторов. Их первичная обмотка включается в цепь последовательно с потребителями ток которых надо измерить; во вторичную обмотку включаются амперметр реле а при измерении мощности и энергии — токовые катушки ваттметра и счетчика. Все приборы во вторичной цепи соединяются последовательно.
При помощи трансформатора тока цепь приборов электрически отделяется от первичной цепи и вторичная обмотка надежно заземляется что необходимо если первичная обмотка включается в цепь высокого напряжения.
Отношение токов трансформатора тока практически равно обратному отношению чисел витков:Последнее обычно подбирается таким образом чтобы при номинальном первичном токе I1н номинальный вторичный ток был равен 5 или 1 А. При больших значениях I1н часто выбирается w1 = на сердечнике помещается вторичная обмотка с числом витков w2.
Трансформаторы тока должны быть механически достаточно прочными чтобы выдержать электродинамические воздействия возникающие при аварийном повышении первичного тока.
Особенностью трансформатора тока в отличие от трансформатора напряжения является то что его магнитный поток при неизменном токе в первичной обмотке и переменном сопротивлении нагрузки будет изменяться. При большом сопротивлении нагрузки магнитный поток трансформатора тока может возрать до чрезмерного значения. Режим работы при разомкнутой вторичной обмотки следует считать аварийным так как при этом магнитный поток и индукция в сердечнике будут иметь наибольшие значения что приведет не только к большому увеличению магнитных потерь и следовательно нагреву трансформатора но и к значительному возрастанию напряжения на разомкнутых зажимах вторичной обмотки. В этом случае магнитный поток будет создаваться только током I1 (при отсутствии размагничивающего вторичного тока I2) и напряжение вторичной обмотки может достигнуть опасных значений. Следует здесь учитывать что опасным является максимальное значение напряжения а оно вследствие уплощения кривой потока при синусоидальном намагничивающем токе может значительно возрасти: например у многовитковых трансформаторов тока отношение максимального напряжения к действующему часто получается равным 225 а некак при синусоидальной кривой напряжения.
Кроме того намагничивание сердечника трансформатора тока в режиме разомкнутой вторичной обмотки при последующем его использовании из-за остаточного магнетизма может давать большие погрешности в измерениях не соответствующие его калибровочным кривым.
Сварочные трансформаторы.
Для дуговой электросварки применяются трансформаторы с повышенным рассеянием или трансформаторы при последовательном включении с дугой регулируемой реактивной катушки.
Рисунок 12 - Схема сварочного трансформатора с регулируемой реактивной катушкой.
Повышение рассеяния в трансформаторе достигается размещением первичной и вторичной обмоток на разных стержнях и применением магнитного шунта между стержнями.
Вторичное напряжение сварочного трансформатора выбирается равным 4070 В что соответствует напряжению зажигания дуги при переменном токе. Для устойчивого и непрерывного горения дуги требуется чтобы внешняя характеристика (зависимость напряжения дуги от тока) была резко падающей и чтобы цепь имела большое индуктивное сопротивление.
Рисунок 13 - Внешняя характеристика при дуговой сварке.
На практике более часто применяется схема при которой путем изменения зазора в сердечнике реактивной катушки можно изменять номинальный ток дуги. Такая схема применяется при многопостовой сварке; при этом она позволяет от одного трансформатора (обычно трехфазного) одновременно питать несколько постов имеющих каждый свою реактивную катушку.
Трансформаторы для радиоэлектроники.
Широкое применение в различных схемах радиоэлектроники находят трансформаторы малой мощности (от нескольких ВА до тысячных долей ВА). К таким трансформаторам предъявляются особые требования которые могут быть удовлетворены только при применении специальных ферромагнитных материалов и специального устройства их обмоток и сердечника.
В современной электронной аппаратуре применяемой в разнообразных отраслях техники используются трансформаторы преобразующие ток или напряжение электрических сигналов в широком спектре звуковых и сверхзвуковых частот. Они как и усилители рассчитанные на этот диапазон частот условно называются трансформаторами и усилителями низких частот.
Также широко применяются «импульсные трансформаторы» преобразующие кратковременные импульсные токи продолжительность которых измеряется микросекундами при числе импульсов в секунду до 1 000.
Указанные трансформаторы должны быть устроены таким образом чтобы искажения вносимые ими были как можно меньше т. е. форма кривой напряжения (или тока) на вторичной стороне должна повторять возможно точнее форму кривой напряжения (или тока) на первичной стороне. При этом приходится брать малые насыщения сердечника трансформатора и учитывать не только активные и индуктивные сопротивления обмоток но и их емкостные связи так как при высокой частоте (преобразуемого тока) токи протекающие через емкости между обмотками соизмеримы с токами непосредственно протекающими по обмоткам. Приходится в этом случае применять специальную укладку витков обмоток и иногда особые системы металлических экранов.
В электронной технике находят себе также применение трансформаторы которые на выходе дают периодически изменяющееся напряжение резко заостренной (пикообразной) формы. Они получили название пик-трансформаторов. Применяются они например при регулировании сеточного напряжения тиратронов.
Нагревание и охлаждение
Магнитные потери в сердечнике трансформатора и электрические потери в его обмотках обусловливают выделение тепла. В начальный промежуток времени работы трансформатора с нагрузкой имеет место неустановившийся тепловой процесс в течение которого лишь часть тепла отдается окружающей среде а другая часть остается в сердечнике и обмотках повышая их температуру. По мере роста последней увеличивается отдача тепла. При некоторой температуре сердечника и обмоток все тепло выделяющееся в них отдается окружающей среде. Эта температура является установившейся соответствующей установившемуся тепловому режиму. Она не должна превышать определенных пределов.
По ГОСТ 401-41 допускаются следующие температуры (°С):
Для сердечника (на поверхности)
Для масла (верхних слоев)
При этом температура окружающего воздуха принимается равной 35°С.
Применяемые для трансформаторов изоляционные материалы резко снижают свои изоляционные и механические свойства при длительном повышении температуры. Особенно это относится к бумаге являющейся одним из основных изоляционных материалов применяемых в трансформаторостроении. Она в большой степени подвержена так называемому старению. Чем выше выбрана для нее температура тем меньше срок ее службы.
Нужно отметить что указанные температуры не должны непрерывно искусственно поддерживаться в трансформаторе путем увеличения его нагрузки так как в этом случае значительно сократился бы срок службы трансформатора по сравнению с его нормальным сроком в 1520 лет. Указанные температуры установлены в предположении суточного и годового колебаний температуры окружающей среды следовательно в предположении что в эксплуатационных условиях периоды работы трансформатора с наивысшими указанными температурами чередуются с периодами работы при более низких температурах.
Чтобы при допустимых превышениях температуры нагретых сердечников и обмоток над температурой окружающей среды все тепло отдавалось окружающей среде необходимо иметь достаточную поверхность охлаждения.
В масляных трансформаторах тепло образующееся в сердечнике и обмотках отдается маслу. Масло отводит это тепло к стенкам бака которые с наружной стороны отдают его окружающему бак воздуху. Движение тепла от одной части трансформатора к другой обусловлено разностью температур. Распределение температур отдельных частей трансформатора показано на. Здесь же показаны пути движения частиц масла омывающего сердечник и обмотки и частиц воздуха омывающего наружные стенки бака.
Рисунок 14 - Распределение температуры отдельных частей трансформатора по его высоте.
— обмотка 2 — сердечник 3 — масло 4 — стенки бака.
Чем больше мощность трансформатора тем больше в нем потери (по абсолютной величине) и тем больше следовательно должна быть его поверхность охлаждения для отвода образующегося тепла. Этим и объясняется главным образом увеличение размеров трансформатора при увеличении его мощности.
При увеличении размеров трансформатора его мощность и потери растут быстрее чем поверхность охлаждения. Поэтому при возрастании мощности трансформатора охлаждение его должно быть более интенсивным.
Для трансформаторов небольшой мощности (до 2030 кВА) применяются баки с гладкими стенками. Для трансформаторов средней и большой мощности приходится брать трубчатые баки или баки с радиаторами . Для очень мощных трансформаторов применяются баки с радиаторами которые обдуваются при помощи особых вентиляторов вследствие чего значительно увеличивается теплоотдача с их поверхности.
Рисунок 15 - Трансформатор с гладким баком.
Рисунок 16 - Трансформатор с трубчатым баком.
Рисунок 17 - Трансформатор с радиаторным баком.
Конструкции трансформаторов
Наиболее распространенными являются масляные трансформаторы. Они при мощности Sн 100 кВА (для напряжений свыше 6300 В и при меньшей мощности) снабжаются маслорасширителями. Маслорасширитель представляет собой резервуар помещенный на крышке бака и соединенный с ним трубой причем труба должна находиться несколько выше дна расширителя. Емкость расширителя выбирается таким образом чтобы масло в нем находилось все время при всех режимах работы трансформатора и при колебаниях температуры окружающего воздуха от -35 до +35° С. Для контроля за уровнем масла расширитель снабжается маслоуказателем. При наличии расширителя поверхность соприкосновения масла с воздухом значительно сокращается что уменьшает его загрязнение и увлажнение; кроме того продукты разложения масла и влага почти не попадают в основной бак на обмотки а скапливаются на дне расширителя.
Рисунок 18 - Маслорасширитель и выхлопная труба.
— расширитель; 2 — труба соединяющая расширитель с главным баком; 3 — маслоуказатель; 4 — отстойник (водоотделитель); 5 — клапан для взятия проб; 6 — выхлопная труба; 7 — стеклянная мембрана.
Мощные трансформаторы при Sн = 1000 кВА снабжаются также выхлопной трубой. Она представляет собой стальную трубу соединенную одним концом с основным баком и закрытую с другого конца стеклянной пластиной — мембраной толщиной 3—5 мм. При внутренних повреждениях обмоток трансформатора быстро образуется вследствие испарения масла большое количество газов которые выдавливают мембрану и выходят в атмосферу. В противном случае неизбежна деформация бака.
Согласно ГОСТ 401-41 трансформаторы снабжаются устройством для измерения температуры верхних слоев масла:
а) Трансформаторы до 750 кВА снабжаются термометрами обычного типа или с сигнальными контактами.
б) Трансформаторы от 1000 кВА и выше имеют термометрический сигнализатор укрепляемый на боковой части бака на высоте 15 м от днища трансформатора.
в) Трехфазные трансформаторы мощностью от 7500 кВА и выше и однофазные трансформаторы мощностью 3333 кВА и выше должны иметь дистанционный измеритель температуры масла для передачи результатов измерения на щит управления.
Защита от чрезмерных повышений температуры внутри трансформатора (тепловая защита) осуществляется при помощи газовых реле устанавливаемых в трубе соединяющей бак с маслорасширителем.
Принцип действия газового реле основан на следующем.
При всяком чрезмерном перегреве какой-либо части трансформатора начинается разрушение ее изоляции. В результате появляется некоторое количество газообразных продуктов распада выделяющихся с большей или меньшей скоростью в зависимости от интенсивности теплового процесса. Образующийся газ поднимается вверх и частично задерживается в газовом реле схематично изображенном на рисунке 19.
Рисунок 19 - Газовое реле.
В нормальном состоянии все реле заполнено маслом. При быстром выделении газа в трансформаторе он скапливается в верхней части резервуара А и постепенно понижает уровень масла. Вследствие этого поплавок В1 опускается и замыкает цепь с сигнальным приспособлением. В том случае когда процесс выделения газа носит более интенсивный характер частицы газа достигают поплавка В2 и наклонив его замыкают цепь управления масляного выключателя. Таким образом газовое реле не только предупреждает о грозящей аварии но и выключает трансформатор если авария принимает большие размеры.
Надежность работы трансформатора в большой степени зависит от выполнения его. изоляции. Трансформаторы на напряжение 115000 В и выше должны иметь особенно прочную изоляцию. Теоретические и экспериментальные исследования советских ученых и инженеров Московского трансформаторного завода (МТЗ) имени В. В. Куйбышева позволили разработать оригинальные конструкции изоляции трансформаторов с экранирующими емкостями что значительно повысило надежность их работы. Такие трансформаторы получили название грозоупорных и нерезонирующих так как при грозовых разрядах на линию передачи соединенную с трансформаторами в них почти не возникают опасные перенапряжения резонансного характера.
Выводы концов обмоток на крышку трансформатора производятся при помощи проходных фарфоровых изоляторов выполнению которых также уделяется всегда большое внимание.
Масляные трансформаторы взрывоопасны. При большой мощности они устанавливаются на открытых подстанциях вдали от производственных и жилых строений. Если же необходимо масляный трансформатор установить в помещении то последнее должно быть специальным образом оборудовано (под трансформатором часто устраивается забетонированная яма чтобы в случае повреждения бака и воспламенения масла оно стекало в эту яму).
В связи с этим большое значение приобретают безопасные в отношении взрыва сухие трансформаторы для установки их в помещениях. Такие трансформаторы в настоящее время на наших заводах изготовляются и находят себе все более широкое применение.
В Советском Союзе изобретены специальные негорючие масла (совол и совтол) для заполнения баков трансформаторов. Однако вследствие их относительно высокой стоимости они применяются еще редко.
Для прогресса трансформаторостроения большое значение имеет улучшение качества электротехнической стали. В последние годы на отечественных заводах освоено изготовление холоднокатаной электротехнической стали различных марок (Э310 и др.) которая обладает высокими магнитными свойствами в направлении прокатки (большая магнитная проницаемость и малые удельные потери). Применение такой стали позволяет значительно увеличить индукцию в сердечниках трансформаторов повысить их к.п.д. и снизить расход активных материалов. Широкое внедрение стали Э310 в трансформаторостроение — важнейшая ближайшая задача дальнейшего улучшения советских трансформаторов. Из нее также выполняются небольшие однофазные трансформаторы с оригинальной конструкцией сердечника который наматывается при помощи особых станков; при этом получаются трансформаторы броневого типа. Они обладают высоким к.п.д.
Рисунок 20 - Однофазный трансформатор с намотанным сердечником.

ГПТ лекция.doc

Генераторы постоянного тока
Генераторы постоянного тока являются источниками постоянного тока в которых осуществляется преобразование механической энергии в электрическую. Якорь генератора приводится во вращение каким-либо двигателем в качестве которого могут быть использованы электрические двигатели двигатели внутреннего сгорания и т.д.
Генераторы находят применение в тех отраслях промышленности где по условиям производства необходим или является предпочтительным постоянный ток (металлургические и электролизные предприятия транспорт и др.).
В последнее время в связи с развитием полупроводниковой техники для получения постоянного тока часто используют выпрямительные установки но несмотря на это генераторы продолжают находить широкое применение.
Классификация генераторов постоянного тока производится по способу их возбуждения. Они подразделяются на генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением.
Генератор постоянного тока независимого возбуждения выполняется с электромагнитным и магнитоэлектрическим возбуждением.
В генераторах с электромагнитным возбуждением обмотка возбуждения располагаемая на главных полюсах подключается к независимому источнику питания. Ток цепи возбуждения может изменяться в широких пределах. Мощность потребляемая обмоткой возбуждения невелика и в номинальном режиме составляет 1—5 % номинальной мощности снимаемой с якоря генератора. Обычно процентное значение мощности возбуждения уменьшается с возрастанием номинальной мощности машины.
Магнитоэлектрические генераторы возбуждаются постоянными магнитами из которых изготовляются полюсы машины. С таким видом возбуждения выполняются генераторы относительно небольшой мощности которые применяются в специальных случаях. Недостатком генераторов с магнитоэлектрическим возбуждением является трудность регулирования напряжения.
Согласно ГОСТ 183-74 для машин постоянного тока принято следующее обозначение выводов обмоток: обмотки якоря Я1-Я2 независимой обмотки возбуждения Н1-Н2 параллельной обмотки возбуждения Ш1-Ш2 последовательной обмотки возбуждения С1-С2 обмотки дополнительных полюсов Д1-Д2 компенсационной обмотки К1-К2. Цифра 1 обозначает начало а цифра 2 — конец обмотки.
В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором вращающаяся часть — якорем.
По конструктивному выполнению машина постоянного тока (рисунок 2) подобна обращенной синхронной машине у которой обмотка якоря расположена на роторе а обмотка возбуждения — на статоре. Основное отличие заключается в том что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор а на статоре помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения — добавочные полюсы которые служат для уменьшения искрения под щетками.
Рисунок 1 - Устройство машины постоянного тока;
— коллектор 2 — щетки 3 — сердечник якоря 4 — главный полюс 5 — катушки обмотки возбуждения 6 — корпус (станина) 7 — подшипниковый щит 8 — вентилятор 9 — обмотка якоря.
Статор состоит из станины и главных полюсов. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы для крепления машины к фундаментальной плите.
На статоре расположены главные и добавочные полюсы с катушками обмотки возбуждения. Полюсы крепят болтами к стальному корпусу который является частью магнитной цепи машины. Главные и добавочные полюсы выполняют из стальных штампованных листов.
Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника и полюсной катушки. Со стороны обращенной к якорю сердечник полюса имеет полюсный наконечник который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока вызванного зубчатостью сердечника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реакции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.
Катушки главных и добавочных полюсов изготовляют из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки добавочных полюсов — из полосовой меди. Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько катушек (секций) для лучшего ее охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала посредством которых образуются вентиляционные каналы.
В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью 1кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый) а затем надевают на сердечник полюса.
Якорь машины постоянного тока состоит из вала сердечника с обмоткой и коллектора. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком собирают в пакет. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи возникающие в результате его перемагничи-вания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы в которые укладывают обмотку якоря.
Обмотку якоря изготавливают из провода круглого или прямоугольного сечения; обычно она состоит из отдельных заранее намотанных якорных катушек которые дополнительно изолируют и укладывают в пазы сердечника якоря. Обмотку выполняют двухслойной в каждом пазу укладывают две стороны различных якорных катушек — одну поверх другой. Каждая якорная катушка включает в себя несколько секций концы которых припаивают к соответствующим коллекторным пластинам; секции могут быть одновитковыми и многовитковыми.
Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.
Коллектор выполняют в виде цилиндра собранного из клинообразных пластин твердотянутой меди. Между пластинами располагают изоляционные прокладки из миканита. Узкие края коллекторных пластин имеют форму «ласточкина хвоста». Верхняя часть коллекторных пластин называемая петушком имеет узкий продольный паз в который закладывают проводники обмотки якоря и тщательно припаивают.
В машинах малой и средней мощности широко применяют коллекторы в которых медные пластины и миканитовые прокладки запрессованы в пластмассу. Поверхность собранного коллектора обтачивают на токарном станке и тщательно шлифуют. Чтобы миканитовые прокладки при срабатывании коллектора не выступали над пластинами и не вызывали вибрации щеток их фрезеруют на 08—15мм ниже поверхности коллектора.
Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток располагаемых в щеткодержателях. Щетки представляют собой прямоугольные бруски из материала составленного на основе графитового порошка. При вращении якоря щетки сохраняют неизменное положение по отношению к полюсам машины.
Щеткодержатель состоит из обоймы в которую помещают щетку курка представляющего собой откидную деталь передающую давление пружины на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом. Щетка снабжается гибким тросиком для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели одной полярности соединены между собой сборными шинами подключенными к выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины — плотный и надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть отрегулировано так как чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и перегрев коллектора а недостаточный нажим — искрение на коллекторе.
Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний (со стороны коллектора) и задний. В центральной части щита имеется расточка под подшипник. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора омывает нагретые части (коллектор обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.
Таким образом коллекторная машина сложнее бес коллекторной машины переменного тока и следовательно уступает ей (особенно асинхронной машине) в надежности и имеет более высокую стоимость.
Принцип действия генератора постоянного тока.
На рисунке 2 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abсd концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам образующим простейший коллектор. Щетки А и В осуществляют скользящий контакт с коллектором и связывают генератор с внешней цепью (нагрузка сопротивлением R).
Рисунок 2 - Упрощенная модель коллекторной машины
Предположим что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки тогда в витке на якоре вращающемся в магнитном поле постоянного магнита наводится ЭДС мгновенное значение которой определяется формулой:
где Вх - индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора;
а — окружная скорость якоря;
— длина проводника в магнитном поле.
В процессе работы генератора якорь вращается и виток abсd занимает разное пространственное положение поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора т. е. ток неизменный по направлению. При положении витка якоря ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В; следовательно щетка А является положительной а щетка В — отрицательной. После поворота якоря на 180° направление тока в витке якоря изменится на обратное однако полярность щеток а следовательно и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными. Объясняется это тем что в тот момент когда ток в витке якоря меняет свое направление происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом под щеткой А всегда находится пластина соединенная с проводником расположенным под северным магнитным полюсом а под щеткой В — пластина соединенная с проводником расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.
Таким образом назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направление тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.
Обозначим буквой N число активных проводников обмотки и рассчитаем ЭДС якоря Е в предположении что шаг секции у1 равен полюсному делению и щетки установлены на геометрической нейтрали. Тогда ЭДС всех N2a проводников параллельной ветви расположенных под одним полюсом складываются арифметически.
Рисунок 3 - Кривые распределения индукции вдоль
окружности якоря и напряжение Uк по коллектору
При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией ЭДС и считать что:
где Вср — среднее значение индукции в пределах полюсного деления :
где се— коэффициент определяемый конструктивными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы:
На якорь по обмотке которого проходит ток Iа действует электромагнитный момент:
где Fрез — результирующая электромагнитная сила возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.
Сила Fрез представляет собой сумму усилий fх приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря. При достаточно большом числе коллекторных пластин силу Fрез можно считать постоянной:
С учетом значений Вср электромагнитный момент определяется по формуле:
где см — коэффициент зависящий от конструктивных параметров машины:
При работе машины в генераторном режиме электромагнитный момент является тормозным.
Основные соотношения характеризующие работу машины в качестве генератора можно представить в виде приведенных ниже уравнений. Эти уравнения справедливы для всех генераторов независимо от способа их возбуждения.
Напряжение на выводах генератора всегда будет меньше наводимой в обмотке якоря ЭДС Е на значение падения напряжения:
Падение напряжения в цепи якоря состоит из двух составляющих: — падения напряжения в обмотках — падения напряжения в щеточном контакте. Сопротивление включает в себя сопротивления обмотки якоря и всех последовательно соединенных с ней обмоток. В общем случае:
где rа rД rс rк — сопротивления обмоток якоря дополнительных полюсов последовательной (сериесной) и компенсационной.
В зависимости от конкретной схемы генератора часть сопротивлений в будет отсутствовать.
Для приближенных расчетов уравнение (13) можно упростить:
Переходное сопротивление щеточного контакта rщ приближенно принимается постоянным и равным:
Ток якоря генератора Ia обусловлен ЭДС Е и всегда имеет с ней одинаковое направление:
Уравнение баланса мощности получим если правую и левую часть (15) умножим на ток Iа:
Произведение называется электромагнитной мощностью и представляет собой полную электрическую мощность которая получается в результате преобразования механической мощности. Часть этой мощности расходуется в цепи якоря на электрические потери в обмотках и в переходном сопротивлении щеточного контакта . Остальная часть мощности равная произведению является отдаваемой мощностью генератора.
Характеристики генератора постоянного тока независимого возбуждения
Рабочие свойства электрических машин определяются их характеристиками. Для генераторов постоянного тока основными характеристиками являются характеристики холостого хода нагрузочная внешняя регулировочная. Указанные характеристики определяются при постоянной номинальной частоте вращения якоря (n=nном=соnst). Они могут быть получены как экспериментальным так и расчетным путем.
Характеристика холостого хода генератора постоянного тока
независимого возбуждения
Характеристика холостого хода представляет собой зависимость ЭДС Е на выводах генератора от тока возбуждения при разомкнутой цепи якоря.
В общем случае при изменении тока возбуждения сначала в одном направлении а затем в другом эта зависимость построенная в четырех квадрантах имеет вид петли показанной на рисунке 4.
Рисунок 4 - Полная петля характеристики холостого хода генератора
постоянного тока независимого возбуждения
Несовпадение кривых полученных при увеличении и уменьшении тока возбуждения объясняется наличием гистерезиса в стали из которой выполнена магнитная система машины. За расчетную принимается средняя кривая (на рисунке 5 показана штриховой линией). При Iв=0 в обмотке якоря наводится ЭДС Еост. Эта ЭДС создается полем остаточного магнетизма статора и носит название ЭДС остаточного магнетизма. Она примерно равна 1—3 % номинального напряжения машины.
Для практических целей обычно ограничиваются снятием части петли которую получают уменьшая ток Iв от максимального значения до нуля.
В начальной части характеристики холостого хода ЭДС изменяется пропорционально току возбуждения а затем рост ЭДС замедляется что объясняется насыщением стальных участков магнитной цепи.
Практическое значение характеристики холостого хода заключается в том что по ней можно судить о степени насыщения магнитной цепи машины. Кроме того эта характеристика необходима для построения других характеристик машины.
Характеристика короткого замыкания генератора постоянного тока
Характеристика короткого замыкания Iа=f(iв) при U=0 и n=const для генератора независимого возбуждения может быть снята только при питании обмотки возбуждения от постороннего источника.
Рисунок 5 - Характеристика короткого замыкания гпт
Характеристика короткого замыкания снимается при замыкании выходных зажимов цепи якоря генератора накоротко. Так как U=0 то:
и так как Ra мало то в условиях опыта ЭДС Еа также должна быть мала. Поэтому необходимо проявлять осторожность и начинать снятие характеристики короткого замыкания с минимальных значений iв чтобы ток якоря не превысил (125 — 15)Iном.
Так как при снятии характеристики короткого замыкания электродвижущая сила мала и поэтому поток мал и машина не насыщена то зависимость I=f(iв) практически прямолинейна (рисунок 5). При iв=0 из-за наличия остаточного магнитного потока ток и в крупных машинах близок к номинальному току или даже больше его.
В размагниченной машине характеристика короткого замыкания начинается с нуля (штриховая линия на рисунке 5). Если характеристика короткого замыкания снята без предварительного размагничивания машины (сплошная линия на рисунке 5) то ее также целесообразно перенести параллельно самой себе в начало координат.
Внешняя характеристика генератора постоянного тока
Эта характеристика является основной эксплуатационной характеристикой генератора. Она показывает как изменяется напряжение U на выводах машины при возрастании тока нагрузки Iа если при этом на цепь возбуждения не оказывается никакого воздействия. Для генератора независимого возбуждения внешнюю характеристику U=f(Ia) получают при Iв=соnst Rв=const и n=const т. е. без регулирования в цепи возбуждения при естественных условиях работы. С помощью реостата Rв устанавливают ток возбуждения iв=Iв.ном таким чтобы при номинальном токе нагрузки Iном напряжение на выводах машины было номинальным. Изменяя ток нагрузки получают другие точки внешней характеристики (рисунок 6).
Рисунок 6 - Внешняя характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения (рабочая область)
Ток возбуждения соответствующий U=Uном при I=Iном называется номинальным током возбуждения Iв.ном. В процессе эксперимента этот ток поддерживается постоянным.
По внешней характеристике определяют номинальное изменение напряжения ΔU. Обычно его выражают в процентах номинального напряжения:
ΔU=10—15% для генераторов независимого возбуждения.
Регулировочная характеристика генератора постоянного тока
Как следует из рассмотрения внешней характеристики генератора при изменении нагрузки напряжение на его выводах не остается постоянным. Для того чтобы сохранить напряжение неизменным необходимо регулировать ток возбуждения. Закон регулирования тока возбуждения для сохранения неизменным напряжения при изменении нагрузки дает регулировочная характеристика представляющая собой зависимость Iв=f(Iа) при U=const и n=const.
Рисунок 7 - Регулировочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Начинают снимать ее с холостого хода когда ток нагрузки Iа=0. При увеличении тока нагрузки ток возбуждения Iв необходимо несколько увеличивать чтобы скомпенсировать уменьшение напряжения из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря.
Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Практическое значение нагрузочной характеристики состоит в том что она позволяет количественно определить размагничивающее действие реакции якоря и исследовать зависимость ее от насыщения машины и тока якоря.
Эта характеристика представляет собой зависимость U=f(Iв) при условии Iа=const и n=const.
Ток возбуждения изменяют в сторону уменьшения начиная от максимального его значения.
Для сопоставления и дальнейших построений нагрузочную характеристику 2 удобно построить на одном графике с нисходящей ветвью характеристики холостого хода 1 (рисунок 8). Характеристику холостого хода можно рассматривать как частный случай нагрузочной характеристики при Iа=0.
Рисунок 8 - Нагрузочная характеристика генератора постоянного тока независимого возбуждения
Нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода из-за падения напряжения в цепи якоря и размагничивающего действия реакции якоря которые уменьшают поток и ЭДС машины.
Составляющую реакции якоря оказывающую воздействие на поток и ЭДС машины можно найти следующим образом. Добавив к напряжению нагрузочной характеристики падение напряжения в цепи якоря (IaRa) (отрезок аb) получим зависимость ЭДС наводимой в обмотке якоря при нагрузке от тока возбуждения (штриховая кривая на рисунке 8) (ток Iа равен току при котором снималась нагрузочная характеристика).
Для получения одной и той же ЭДС Е' при холостом ходе требуется ток возбуждения Iв1 а при нагрузке — ток Iв2. Разность этих токов идет на компенсацию размагничивающего действия реакции якоря. Отрезок bd соответствует уменьшению потока и ЭДС наводимой в обмотке якоря.
В общем случае разность (Iв2 — Iв1) пропорциональна алгебраической сумме размагничивающей составляющей якоря Fqd и продольной реакции якоря Fd. При щетках установленных на геометрической нейтрали можно считать что разность
(Iв2 — Iв1)=Iqd . Соединяя между собой точки а Ь и с получаем треугольник носящий название характеристического. Горизонтальный катет bc этого треугольника равен Iqd и соответствует продольной реакции якоря а вертикальный аЬ равен IaRa соответствует поперечной реакции якоря.
Характеристический треугольник иногда используется для построения других характеристик машины при этом приближенно принимается что его оба катета изменяются пропорционально току Iа.

Вопросы к экзамену по ЭМ тр и мпт.doc

Вопросы к экзамену по курсу «Электрические машины»
Часть 1 Трансформаторы
Принцип действия и конструкции трансформаторов.
ЭДС токи и потери в трансформаторе при холостом ходе.
Конструктивные части трансформаторов.
Типы обмоток трансформаторов.
Типы магнитопроводов трансформаторов.
Опыт холостого хода трансформатора.
Опыт короткого замыкания трансформатора.
Рабочий режим трансформатора.
Явления возникающие при намагничивании магнитопровода трансформатора.
Векторные диаграммы трансформатора.
Внешние характеристики трансформатора.
Схемы и группы соединения обмоток трансформаторов.
Регулирование вторичного напряжения трансформатора.
Схема замещения трансформатора.
Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора.
Приведение величин вторичной обмотки трансформатора к числу витков первичной обмотки.
Параллельная работа трансформаторов.
Потери и коэффициент полезного действия трансформатора.
Назначение и область применения трансформаторов.
Нагрев и охлаждение трансформаторов.
Трансформаторы для выпрямительных устройств.
Трансформаторы для устройств автоматики.
Трансформаторы для дуговой сварки.
Назначение и принцип работы вольтодобавочного трансформатора.
Фазировка трансформатора.
Опытное определение напряжения короткого замыкания трансформатора.
Коэффициент трансформации трансформатора.
Переходные процессы в трансформаторе.
Перенапряжения в трансформаторах.
Часть 2 Машины постоянного тока
Принцип действия генератора постоянного тока.
Классификация генераторов постоянного тока.
Характеристики генератора независимого возбуждения.
Виды коммутации. Способы улучшения коммутации.
Коммутация машин постоянного тока. Причины искрения.
Якорные обмотки машин постоянного тока.
Параллельная работа генераторов.
Характеристики генератора смешанного возбуждения.
Характеристики генератора параллельного возбуждения.
Компенсационная обмотка. Назначение и конструкция.
Пуск двигателей постоянного тока.
Регулирование скорости двигателей постоянного тока.
Торможение двигателей постоянного тока.
Потери и коэффициент полезного действия МПТ.
Характеристики двигателей независимого возбуждения.
Характеристики двигателей параллельного возбуждения.
Характеристики двигателей последовательного возбуждения.
Характеристики двигателей смешенного возбуждения.
Принцип действия двигателя постоянного тока.
Способы возбуждения МПТ.
Круговой огонь по коллектору.
Радиопомехи при работе МПТ и способы их подавления.
Нагрев и вентиляция МПТ.
Электромагнитный момент МПТ.
Исполнительные двигатели постоянного тока.
Универсальные коллекторные двигатели.

Лабораторная работа №2 (ДПТ).dwg

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная стенда для исследования двигателя постоянного тока

Заготовка по лабораторной работе №2.doc

Изучить устройство и принцип действия двигателя постоянного тока независимого параллельного и последовательного возбуждения.
Приобрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик.
Приобрести практические навыки по определению КПД двигателя постоянного тока методом потерь.
Изучить виды потерь в машине постоянного тока и их зависимости от нагрузки машины.
Изучить зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки.
1 Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
2 Способы пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Какой способ пуска применяли в лабораторной работе?
3 Напишите уравнение напряжения на якоре двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
4 Из уравнения напряжения выведите уравнения тока якоря и скорости вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
5 Почему пусковой ток значительно превышает номинальный ток якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения?
6 Почему с увеличением нагрузки частота вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения уменьшается?
7 Напишите формулу электромагнитного момента двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Объясните величины определяющие электромагнитный момент.
8 Напишите зависимость электромагнитного момента двигателя постоянного тока независимого возбуждения от его мощности и угловой скорости вращения якоря.
9 Перечислите потери мощности в двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Какие из них относятся к постоянным а какие - к переменным и почему?
10 Напишите уравнение КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Нарисуйте график зависимости КПД от величины нагрузки.
11 При каком условии КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения достигает максимума?
12 Как изменить направление вращения якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения?
13 Двигатель постоянного тока независимого возбуждения работает с номинальной нагрузкой. Что будет с ним если произойдёт обрыв цепи возбуждения?
14 Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
15 Способы пуска двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Какой способ пуска применяли в лабораторной работе?
16 Из уравнения напряжения выведите уравнения тока якоря и скорости вращения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
17 Почему пусковой ток значительно превышает номинальный ток якоря двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
18 Почему с увеличением нагрузки скорость вращения якоря двигателя уменьшается?
19 Напишите зависимость электромагнитного момента двигателя постоянного тока последовательного возбуждения от его мощности и угловой частоты вращения якоря.
20 Перечислите потери мощности в двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Какие из них относятся к постоянным а какие - к переменным и почему?
21 Напишите уравнение КПД двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Нарисуйте график зависимости КПД от величины нагрузки.
22 При каком условии КПД двигателя постоянного тока последовательного возбуждения достигает максимума?
23 Как изменить направление вращения якоря двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
24 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения работает с номинальной нагрузкой что будет с ним если произойдёт отсоединение механической нагрузки?
25 Что представляют собой рабочие характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
Задание на выполнение лабораторной работы.
1 Записать паспортные данные электрических машин в отчет.
2 Записать данные измерительных приборов в таблицу 1.
3 Ознакомиться с конструкцией двигателя постоянного тока
4 Ознакомиться со схемой и порядком включения стенда.
5 Снять характеристики холостого хода.
6 Снять характеристики короткого замыкания при заторможенном якоре.
7 Снять данные и построить рабочие характеристики. Рассчитать потери двигателя постоянного тока при различны значениях тока нагрузки и построить график зависимости КПД от тока нагрузки. Определить полезную мощность и полезный момент на валу двигателя. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке. Определить номинальное изменение скорости вращения якоря.
Таблица 1 – Данные измерительных приборов
Паспортные данные электрических машин:
8 Построить скоростную механическую и моментную характеристики двигателя постоянного тока при номинальном напряжении.
9 Сделать обработку полученных данных. Провести анализ результатов лабораторной работы и составить подробный отчет.
При анализе результатов лабораторной работы следует сравнить полученные в лабораторной работе характеристики машины при номинальной нагрузке с паспортными значениями.
Порядок лабораторной работы.
1 Опыт холостого хода
Таблица 2 - Данные опыта холостого хода
Механические и магнитные потери определяются по формуле:
Потери в цепи якоря на холостом ходу определяются по формуле:
где - сопротивление цепи якоря приведенное к расчетной рабочей температуре.
Электрические потери на холостом ходу в контакте щеток определяются по формуле:
где — переходное падение напряжения на щетках принимаемое в соответствии с маркой щеток.
Потери в цепи возбуждения определяются по формуле:
По результатам измерений и вычислений строятся характеристики холостого хода: n Iа0 Р10 Р0=f(U0) на которых отмечаются значения величин I0ном Р10ном (РСТ + Pмх)ном соответствующих номинальному напряжению Uном.
2 Исследование рабочих характеристик
Таблица 3 - Рабочие характеристики
Угловую частоту вращения якоря определяют по формуле:
Номинальное изменение скорости вращения Δnном% определяют по формуле:
Мощность Р1 (электрическая мощность или подводимая мощность) определяют по формуле:
Электрические потери в цепи якоря PЭа определяют по формуле:
Электрические потери в контакте щеток PЭщ определяют по формуле:
Электромагнитную мощность РЭМ определяют по формуле:
Согласно ГОСТ для двигателей без компенсационной обмотки значение добавочных потерь Рд принимают равным 1% от подводимой мощности:
Полезная механическая мощность на валу двигателя:
Электромагнитный момент двигателя:
Момент на валу Нм. (15)
По расчетным данным строятся следующие характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения:
) скоростную характеристику (электромеханическую) n=f(Ia);
) моментную характеристику Mэм=f(Ia);
) механическую характеристику n=f(Mэм).
) рабочие характеристики М P1 Iа n =f(P2).
3 Регулировочная характеристика
Таблица 4 – Регулировочная характеристика
По результатам измерений строятся графики Iд=f(Iв) и n=f(Iв).

Лабораторная работа №2 (ДПТ).doc

Министерство образования Республики Беларусь
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеративное агенство по образованию
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет»
Электротехнический факультет
Кафедра “Электропривод и автоматизация промышленных установок”
Методические указания к лабораторной работе
по курсу “Электрические машины”
Для студентов специальности 1-53 01 05
“Автоматизированные электроприводы”
Лабораторная работа № 2
“Исследование двигателя постоянного тока”
УДК 621.313 Составитель: Лапицкий В.А.
Методические указания к лабораторной работе №2 “Исследование двигателя постоянного тока”
по дисциплине «Электрические машины». Для студентов специальности 1-53 01 05 “Автоматизированные электроприводы”
Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры “Электропривод и АПУ”
февраля 2012г. протокол №6.
БЕЛОРУССКО-РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Изучить устройство и принцип действия двигателя постоянного тока независимого параллельного и последовательного возбуждения.
Приобрести практические навыки в сборке схем и снятии характеристик.
Приобрести практические навыки по определению КПД двигателя постоянного тока методом потерь.
Изучить виды потерь в машине постоянного тока и их зависимости от нагрузки машины.
Изучить зависимость КПД машины постоянного тока от нагрузки.
Основные теоретические сведения
Двигатели постоянного тока преобразуют электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.
Несмотря на успехи в создании статических полупроводниковых преобразователей и внедрение регулируемых электроприводов переменного тока производство двигателей постоянного тока в процентном отношении к двигателям переменного тока не сокращается и они находят новые области применения.
Двигатели постоянного тока допускают плавное и экономичное регулирование скорости вращения. Это преимущество перед двигателями переменного тока обеспечивает применение двигателей постоянного тока в электроприводах с широким диапазоном изменения скорости вращения. Двигатели постоянного тока находят применение в приводах прокатных станов станков на транспорте и в других системах автоматизированного электропривода.
По способу возбуждения двигатели постоянного тока так же как и генераторы делятся на двигатели независимого параллельного последовательного и смешанного возбуждения. Двигатели независимого возбуждения могут быть разделены на двигатели с электромагнитным возбуждением когда обмотка возбуждения подключена к постороннему источнику постоянного тока или на зажимы двигателя и на двигатели с магнитоэлектрическим возбуждением когда вместо обмотки возбуждения используются постоянные магниты.
Двигатель постоянного тока потребляет электрическую мощность P1 из сети. Часть этой мощности расходуется на электрические потери в обмотке возбуждения Рв электрические потери в обмотке якоря Рэа и электрические потери в контакте щеток Рэщ а остальная ее часть передается магнитным полем к якорю. Эта мощность называется электромагнитной.
Электромагнитная мощность РЭМ расходуется на покрытие потерь в стали магнитопровода якоря РМ механических РМХ и добавочных Рд потерь. Оставшаяся ее часть Р2 является полезной механической мощностью на валу двигателя.
Рисунок 2 – Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока.
Различают два вида потерь — основные и добавочные. Основные потери разделяются на магнитные механические и электрические.
Магнитные потери РМ происходят только в сердечнике якоря так как только этот элемент магнитопровода машины постоянного тока подвергается перемагничиванию. Величина магнитных потерь состоит из потерь от гистерезиса и потерь от вихревых токов и зависит от частоты перемагничивания значений магнитной индукции в зубцах и спинке якоря толщины листов электротехнической стали ее магнитных свойств и качества изоляции этих листов в пакете якоря.
Механические потери РМХ обусловлены потерями на вентиляцию трением вращающихся частей машины — трением в подшипниках трением щеток о коллектор. Величина механических потерь зависит от скорости вращения якоря.
Магнитные и механические потери называют постоянными потерями так как мощность этих потерь не зависит от нагрузки машины.
Аналитический расчет магнитных и механических потерь — сложная задача и не дает достаточной точности. Для определения этих потерь иногда пользуются экспериментальным методом.
2 Опыт холостого хода
Данный опыт даёт возможность изучить свойства магнитной цепи машины определить возникающие при холостом ходе потери и механические свойства двигателя при питании от источника регулируемого напряжения.
Включают машину на холостом ходу в двигательный режим. При этом измеряют ток якоря Ia0 в режиме холостого хода и подведенное напряжение U0 и определяют мощность холостого хода Р0 (Вт) в цепи якоря которая представляет собой сумму магнитных и механических потерь:
Потери в цепи возбуждения Рв определяются потерями в обмотке возбуждения и в реостате включенном в цепь возбуждения:
Здесь Uв — напряжение цепи возбуждения.
3 Опыт короткого замыкания
Данный опыт даёт возможность определить электрические потери Рэа возникающие в обмотках цепи якоря и в щеточном контакте машины постоянного тока при питании от источника регулируемого напряжения.
Электрические потери в обмотках цепи якоря и в щеточном контакте машины постоянного тока называют переменными так как их величина зависит от нагрузки машины и обусловлена нагревом обмоток и щеточного контакта.
Потери в цепи якоря определяются по формуле:
где - сопротивление цепи якоря приведенное к расчетной рабочей температуре.
где r — активное сопротивление при температуре Т1;
Т2 – рабочая температура двигателя;
α = 0004 – температурный коэффициент меди.
Электрические потери в контакте щеток:
где — переходное падение напряжения на щетках принимаемое в соответствии с маркой щеток.
4 Коэффициент полезного действия
В машинах постоянного тока имеется ряд трудно учитываемых потерь — добавочных. Поэтому согласно ГОСТ для двигателей без компенсационной обмотки значение добавочных потерь Рд принимают равным 1% от подводимой мощности. В машинах с компенсационной обмоткой значение добавочных потерь принимают равным 05%.
Мощность P1 (Вт) для двигателя постоянного тока (электрическая мощность или подводимая мощность):
Коэффициент полезного действия электрической машины представляет собой отношение мощностей отдаваемой (полезной) к подводимой (потребляемой):
Обычно КПД машин постоянного тока составляет 075—09 для машин мощностью от 1кВт до 100кВт и 09—097 для машин мощностью свыше 100кВт. У машин постоянного тока малой мощности КПД намного меньше.
Коэффициент полезного действия электрической машины можно определять:
а) методом непосредственной нагрузки по результатам измерений подведенной P1 и отдаваемой P2 мощностей;
б) косвенным методом по результатам измерений потерь.
Метод непосредственной нагрузки применим только для машин малой мощности для остальных случаев применяется косвенный метод как более точный и удобный.
Рисунок 3 – Зависимость =f(Р2)
Существует несколько косвенных способов определения КПД. Наиболее прост способ холостого хода двигателя когда потребляемая машиной постоянного тока мощность затрачивается только на потери холостого хода. Что же касается электрических потерь то их определяют расчетным путем после предварительного измерения электрических сопротивлений обмоток и приведения их к рабочей температуре.
5 Принцип действия двигателя постоянного тока
Электрические машины обладают свойством обратимости т. е. они могут работать как в режиме генератора так и в режиме двигателя. Поэтому если машину постоянного тока подключить к источнику энергии постоянного тока то в обмотке возбуждения и в обмотке якоря машины появятся токи. Взаимодействие тока якоря с полем возбуждения создает на якоре вращающий электромагнитный момент Мэм.
где – угловая частота вращения якоря (радс).
Под действием электромагнитного момента якорь машины начнет вращаться т.е. машина будет работать в режиме двигателя.
В процессе работы двигателя его якорь вращается в магнитном поле. В обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа направление которой определяют по правилу «правой руки». В двигателе ЭДС направлена против тока Ia и поэтому ее называют противо-ЭДС якоря.
Для двигателя работающего с постоянной частотой вращения подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо-ЭДС обмотки якоря и падением напряжения в цепи якоря:
На основании уравнения (12) ток якоря определяется по формуле:
Умножив обе части уравнения (12) на ток якоря Ia получим уравнение мощности для цепи якоря:
где — электрическая мощность подводимая к якорю;
— мощность электрических потерь в цепи якоря.
- электромагнитная мощность представляющая собой полную электрическую мощность которая преобразуется в полезную механическую мощность и расходуется на покрытие магнитных (потери в стали якоря) механических и добавочных потерь.
Ток якоря двигателя определяется формулой (13). Если принять U и неизменными то ток Iа зависит от противо-ЭДС Еа.
В начальный момент пуска якорь двигателя неподвижен (n=0) и в его обмотке не индуцируется ЭДС (Еа=0). Поэтому при непосредственном подключении двигателя к сети в обмотке его якоря возникает пусковой ток:
Обычно сопротивление ra невелико поэтому значение пускового тока достигает недопустимо больших значений в 10—20 раз превышающих номинальный ток двигателя.
Такой большой пусковой ток весьма опасен для двигателя. Во-первых он может вызвать в машине круговой огонь а во-вторых при таком токе в двигателе развивается чрезмерно большой пусковой момент который оказывает ударное действие на вращающиеся части двигателя и может механически их разрушить. Этот ток вызывает резкое падение напряжения в сети что неблагоприятно отражается на работе других потребителей включенных в эту сеть.
Поэтому пуск двигателя непосредственным подключением в сеть обычно применяют для двигателей мощностью не более 1кВт. В этих двигателях благодаря повышенному сопротивлению обмотки якоря и небольшим вращающимся массам значение пускового тока лишь в 3—5 раз превышает номинальный что не представляет опасности для двигателя. Что же касается двигателей большей мощности то при их пуске для ограничения пускового тока используют пусковые реостаты включаемые последовательно в цепь якоря (реостатный пуск).
По мере разгона якоря двигателя ступени пускового реостата плавно выводятся и пуск двигателя заканчивается. Сопротивление пускового реостата выбирают обычно таким чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 2—3 раза.
Для пуска двигателей большей мощности применять пусковые реостаты нецелесообразно так как это вызывает значительные потери энергии. Кроме того пусковые реостаты обладают большими массогабаритными показателями. Поэтому в двигателях большой мощности применяют пуск двигателя путем плавного изменения напряжения.
7 Характеристики двигателя постоянного тока
Основными характеристиками по которым оцениваются рабочие свойства двигателя являются:
) скоростная характеристика (электромеханическая) n=f(Ia) — зависимость скорости вращения якоря от тока якоря;
) моментная характеристика Mэм=f(Ia) — зависимость электромагнитного момента от тока якоря;
) механическая характеристика n=f(Mэм) — зависимость скорости вращения якоря от электромагнитного момента.
При снятии характеристик нагрузочный момент изменяют от 0 до 11—12Мном.
Номинальный момент Мном (Н·м) определяют по формуле:
где - номинальная угловая частота вращения якоря которая определяется по формуле:
ЭДС двигателя определяется по формуле:
Тогда скорость вращения якоря двигателя (обмин):
Подставив значение Еа из (12) получим выражение скоростной характеристики:
т. е. скорость вращения якоря двигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.
Если к валу машины не будет приложен нагрузочный момент (М2=0) то двигатель будет работать на холостом ходу при этом ток в якоре Ia=I0 а скорость n=n0. Ток I0 — ток холостого хода — создает электромагнитный момент Мо необходимый для преодоления существующего в самом двигателе тормозного момента обусловленного силами трения и магнитными потерями. Этот ток относительно мал и составляет 2—5% от номинального.
Работа двигателя при М=0 и Iа=0 называется идеальным холостым ходом. Согласно (20) скорость якоря при идеальном холостом ходе равна:
Изменение скорости вращения двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу выраженное в процентах называют номинальным изменением скорости вращения якоря:
В двигателях независимого и параллельного возбуждения изменение скорости при переходе от холостого хода к номинальной нагрузке мало и составляет 2—5%. Такие слабо падающие скоростные и механические характеристики называются жесткими.
Скоростную характеристику двигателя n=f(Ia) снимают при Iв=Iвном=const и U=Uном=const. Номинальный ток возбуждения Iвном устанавливают так чтобы обеспечить номинальную скорость nном при Iа=Iаном и номинальном подведенном напряжении Uном .
Скоростные характеристики показаны на рисунке 4. Их анализ проведем исходя из уравнения (20).
Рисунок 4 - Скоростные характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения
При U=Uном=const на скорость якоря будут оказывать влияние два фактора: падение напряжения в цепи якоря и размагничивающее действие реакции якоря уменьшающее поток. Поток двигателя при нагрузке
где Ф0 — поток созданный током возбуждения; — уменьшение потока из-за размагничивающего действия поперечной реакции якоря.
Тогда при возрастании тока якоря падение напряжения будет стремиться уменьшить скорость а — увеличить.
Вид скоростной характеристики зависит от того какой из этих факторов будет действовать сильнее. При более сильном влиянии падения напряжения характеристика имеет падающий характер (сплошная линия на рисунке 4) а если будет преобладать действие реакции якоря то она может иметь возрастающий характер (штриховые линии).
Нормальная работа двигателя возможна только при падающей характеристике.
Моментную характеристику двигателя Mэм=f(Ia) снимают при Iв=const.
Зависимость электромагнитного момента от тока якоря описывается уравнением:
Если бы при Iв=const поток Ф оставался постоянным то момент был бы пропорционален току якоря Ia и моментная характеристика представляла бы прямую линию выходящую из начала координат (штриховая прямая на рисунке 5).
Рисунок 5 – Моментная характеристика двигателя постоянного тока независимого возбуждения
Действительная характеристика из-за уменьшения потока вследствие размагничивающего действия реакции якоря пойдет ниже и будет отклоняться от линейной зависимости (сплошная линия на рисунке 5). Однако расхождение между этими характеристиками невелико и во многих практических расчетах может не учитываться.
Механическую характеристику двигателя n=f(Mэм) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Выразим ток Iа из выражения (24).
Подставив (25) в (20) получим аналитическое выражение механической характеристики:
Вид механической характеристики двигателя независимого возбуждения такой же как и у скоростной характеристики. Если принять пропорциональную зависимость между моментом и током якоря то при одних и тех же значениях U и Iв скоростная характеристика в другом масштабе будет являться и механической характеристикой.
Рабочие характеристики двигателя М P1 Iа n =f(P2) снимают при Iв=const и U=Uном=const.
Рисунок 6 - Рабочие характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения
С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент двигателя М а скорость вращения n немного падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности P1 забираемой из сети и росту тока якоря Iа. При холостом ходе (Р2=0) КПД=О затем с увеличением Р2 сначала КПД быстро растет но в связи с большим ростом потерь в цепи якоря при больших нагрузках снова начинает уменьшаться.
Направление вращения якоря зависит от направлений магнитного потока возбуждения Ф и тока в обмотке якоря. Поэтому изменив направление какой-либо из указанных величин можно изменить направление вращения якоря.
8 Устойчивость двигателя
Важно чтобы работа двигателя вместе с производственным механизмом протекала устойчиво. Под устойчивой работой двигателя понимается его способность вернуться в исходную точку равновесия после кратковременного действия возмущающих сил нарушивших это равновесие. Оценку устойчивости производят из совместного рассмотрения механических характеристик двигателя и производственного механизма.
Рисунок 7 - К определению устойчивости работы двигателя совместно с механизмом
Работа двигателя независимого возбуждения может быть устойчивой и неустойчивой. Неустойчивая работа будет наблюдаться при возрастающих механических характеристиках двигателя. На рисунке 7 показана такая характеристика двигателя (прямая 1). Там же дана механическая характеристика для механизма приводимого во вращение двигателем (прямая 2). Для него принята зависимость Мс=М2=const являющаяся типичной для целого ряда механизмов (подъемные краны механизмы подачи для металлорежущих станков и т. д.). Пересечение этих прямых является точкой равновесия моментов М=Мс (точка а) и соответствует установившемуся режиму работы.
Предположим что в результате действия каких-либо возмущающих сил скорость увеличится на Δn. Тогда момент двигателя увеличится до М1 и возникнет положительный динамический момент так как
М1—Mc>0. Под действием избыточного момента двигателя скорость n начнет нарастать разность М—Мс еще больше увеличится что приведет к дальнейшему возрастанию скорости и т. д. Если в результате возмущения скорость уменьшится то М—Мс0 и скорость будет непрерывно уменьшаться. Отсюда следует что точка а является точкой неустойчивого равновесия и следовательно нормальная работа двигателя с возрастающей механической характеристикой невозможна.
Аналогичным путем можно показать что при падающей механической характеристике работа будет проходить устойчиво так как всякое отклонение скорости на ±Δn вызывает появление избыточного момента направленного на восстановление равновесия. В общем виде критерием устойчивой работы является неравенство
Иногда при проектировании двигателей независимого возбуждения в целях уменьшения его размеров и массы принимают повышенные значения линейной нагрузки А и индукции в воздушном зазоре В .
В таких двигателях сильно проявляется размагничивающее действие реакции якоря и получить у них падающую механическую характеристику не удается. Тогда предусматривают специальную обмотку возбуждения (стабилизирующую обмотку) располагаемую на полюсах и включаемую последовательно с якорем. Она имеет всего несколько витков и предназначается для компенсации размагничивающего действия реакции якоря. При наличии такой обмотки поток машины практически не будет изменяться с ростом тока якоря — он будет стабилизирован. Механическая характеристика такой машины будет падающей.
9 Исследование двигателя постоянного тока последовательного возбуждения
В двигателе постоянного тока последовательного возбуждения обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря поэтому магнитный поток Ф в нем зависит от тока нагрузки I=Iа=Iв .При небольших нагрузках магнитная система машины не насыщена и зависимость магнитного потока прямо пропорциональна от тока нагрузки т.е.:
где — коэффициент пропорциональности.
С учетом (28) уравнение (20) примет вид:
Уравнение (29) является скоростной характеристикой двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
Рисунок 8 – Скоростная n=f(Iа) и моментная M=f(Iа) характеристики двигателя последовательного возбуждения.
Электромагнитный момент для двигателя постоянного тока последовательного возбуждения с учетом (28) определяется формулой:
где — коэффициент зависящий от конструктивных параметров машины:
Таким образом вращающий момент двигателя при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока а скорость вращения обратно пропорциональна току нагрузки.
Выразив ток Ia из (30) получим:
С учетом и (32) уравнение (29) примет вид:
Уравнение (33) является механической характеристикой двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
Анализ этого уравнения показывает что с увеличением нагрузки на валу двигателя т.е. с увеличением электромагнитного момента Мэм уменьшается скорость вращения якоря.
При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при возрастании нагрузки практически не изменяется и характеристики двигателя приобретают почти прямолинейный характер. Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения показывает что скорость вращения якоря двигателя значительно меняется при изменениях нагрузки. Такая характеристика является мягкой и имеет гиперболический характер.
При уменьшении нагрузки на якоре двигателя последовательного возбуждения скорость вращения якоря резко увеличивается и может достигнуть опасных для двигателя значений («разнос»). Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения или его пуск при нагрузке на валу меньше 25% от номинальной недопустима.
Для более надежной работы вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты или зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя.
Учитывая возможность работы двигателя последовательного возбуждения на повышенных скоростях вращения якоря согласно ГОСТ подвергают испытанию в течение 2 мин на превышение скорости вращения якоря на 20% сверх максимальной скорости указанной на заводской табличке но не более чем на 50% сверх номинальной скорости.
Механические характеристики двигателя последовательного возбуждения n=f(М) представлены на рисунке 10. Резко падающие кривые механических характеристик обеспечивают двигателю последовательного возбуждения устойчивую работу при любой механической нагрузке.
Рисунок 9 – Механические характеристики n=f(M) двигателя последовательного возбуждения (1 - естественная характеристика; 2 — искусственная характеристика).
Свойство этих двигателей развивать большой вращающий момент пропорциональный квадрату тока нагрузки имеет большое значение особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках.
Эта особенность двигателей последовательного возбуждения является одной из причин их широкого применения в качестве тяговых двигателей на транспорте а также в качестве крановых двигателей в подъемных установках т. е. во всех случаях электропривода с тяжелыми условиями пуска и сочетанием значительных нагрузок на валу двигателя при малой скорости вращения якоря.
Изменение скорости вращения якоря двигателя при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу выраженное в процентах называют номинальным изменением скорости вращения:
где — скорость вращения при нагрузке двигателя составляющей 25% от номинальной.
10 Рабочие характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения
Рабочие характеристики двигателя постоянного тока это — зависимости М P1 I n =f(P2) при постоянном напряжении сети U.
С увеличением нагрузки на валу двигателя Р2 растет момент на валу двигателя М а скорость вращения якоря падает. Увеличение нагрузки приводит к росту мощности P1 забираемой из сети и росту тока якоря Iа. Зависимость КПД () от нагрузки имеет такой же вид как и для других электрических машин.
Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения представлены на рисунке 10.
Рисунок 10 – Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения.
Задание на выполнение лабораторной работы.
1 Записать паспортные данные электрических машин в отчет.
2 Записать данные измерительных приборов в таблицу 1.
3 Ознакомиться с конструкцией двигателя постоянного тока
4 Ознакомиться со схемой и порядком включения стенда.
5 Снять характеристики холостого хода.
6 Снять характеристики короткого замыкания при заторможенном якоре.
7 Снять данные и построить рабочие характеристики. Рассчитать потери двигателя постоянного тока при различны значениях тока нагрузки и построить график зависимости КПД от тока нагрузки. Определить полезную мощность и полезный момент на валу двигателя. Определить КПД двигателя при номинальной нагрузке. Определить номинальное изменение скорости вращения якоря.
Таблица 1 – Данные измерительных приборов
8 Построить скоростную механическую и моментную характеристики двигателя постоянного тока при номинальном напряжении.
9 Сделать обработку полученных данных. Провести анализ результатов лабораторной работы и составить подробный отчет.
При анализе результатов лабораторной работы следует сравнить полученные в лабораторной работе характеристики машины при номинальной нагрузке с паспортными значениями.
Порядок работы с лабораторной установкой.
Изучить принципиальную схему стенда представленную на рисунке 1.
Универсальный стенд состоит из двух машин постоянного тока М1 и М3 установленных на одном валу с гонным двигателем переменного тока М2 и тахогенератором М4; источника регулируемого напряжения U1 и источника выпрямленного нерегулируемого напряжения нагрузочного реостата регулировочных реостатов R1 и измерительных приборов; переключателей.
Асинхронный двигатель переменного тока М2 в данных исследованиях не участвует но создаёт постоянный момент сопротивления на валу исследуемого двигателя М3.
1 Опыт холостого хода
Для исследования двигателя постоянного тока независимого возбуждения (машина М3) собрать схему представленную на рисунке 1.
Опыт проводить в следующей последовательности:
Убедиться что напряжение на выходе автотрансформатора “TV1” равно нулю (ручка автотрансформатора “TV1” повернута до упора против часовой стрелки).
Включить автоматический выключатель “QF1”.
При помощи автотрансформатора “TV1” плавно увеличить напряжение на якоре двигателя М3 до номинального значения U=220В (контролировать по вольтметру “PV6”).
Прогреть двигатель М3 в течение 15 минут.
Установить регулятор автотрансформатора “TV1” в крайнее положение соответствующее значению напряжения равное нулю (контролировать по вольтметру “PV6”).
При помощи автотрансформатора “TV1” плавно увеличивая напряжение на якоре двигателя М3 до значения U=250В снять 5 значений тока в цепи якоря двигателя М3 и скорости вращения n.
Данные занести в таблицу 2.
Таблица 2 - Данные опыта холостого хода
Завершив эксперимент необходимо:
- уменьшить напряжение при помощи автотрансформатора “TV1” до нуля контролировать по прибору “PV6”;
- выключить автоматический выключатель “QF1”.
Механические и магнитные потери определить по формуле:
Потери в цепи якоря на холостом ходу определить по формуле:
Электрические потери на холостом ходу в контакте щеток определить по формуле:
Потери в цепи возбуждения определить по формуле (5).
По результатам измерений и вычислений построить характеристики холостого хода: n Iа0 Р10 Р0=f(U0) на которых необходимо отметить значения величин I0ном Р10ном (РСТ + Pмх)ном соответствующих номинальному напряжению Uном.
2 Опыт короткого замыкания
Опыт проводить по схеме (рисунок 1) в следующей последовательности:
Ток якоря не должен превысить 15Iном исследуемого двигателя.
Якорь исследуемого двигателя не вращается.
Продолжительность каждого отсчёта не должна превышать 10с.
Опыт требует хорошей организации и слаженной работы бригады студентов. На каждого наблюдателя возлагается наблюдение за одним – двумя приборами в момент отсчёта (времени включения).
Чтобы якорь двигателя М3 не вращался необходимо:
- включить выключатель “SA2”;
- увеличить нагрузку в цепи вспомогательной машины М1 уменьшив сопротивление реостата “R2”.
При помощи автотрансформатора “TV1” плавно увеличивая напряжение на якоре двигателя М3 до значения тока 12Iном (контролировать по амперметру “PА6”) снять 5 значений тока короткого замыкания в цепи якоря двигателя М3.
Измеренные и вычисленные величины занести в таблицу 3
Таблица 3 – Данные опыта короткого замыкания
Подводимую мощность двигателя постоянного тока (электрическая мощность) в режиме короткого замыкания определить по формуле:
При опыте короткого замыкания обмотки двигателя быстро нагреваются до рабочей температуры так как при неподвижном якоре двигатель не вентилируется. Температуру двигателя Т1 (°С) обычно измеряют непосредственно после проведения опыта.
Сопротивление якоря ra определить по формуле:
Сопротивление якоря ra приведенное к рабочей температуре определить по формуле (7)
По результатам измерений и вычислений построить характеристики короткого замыкания: IаК и Р1К=f(UК).
3 Исследование рабочих характеристик
Рабочие характеристики P1MIn=f(P2) снимаются при U=Uном=const Iв=const.
При помощи автотрансформатора “TV1” плавно увеличить напряжение на якоре двигателя М3 до номинального значения U=220В и поддерживать его постоянным в течение всего опыта (контролировать по вольтметру “PV6”).
Включить выключатель “SA2”;
Постепенно нагружая генератор до тока 12Iн снять 5 значений;
Показания приборов записать в таблицу 4.
Таблица 4 - Рабочие характеристики
По опытным данным построить в одной системе координат рабочие характеристики:Iд P1 n М h=f(P2).
Угловую частоту вращения якоря определяют по формуле:
Номинальное изменение скорости вращения Δnном% определить по формуле(22).
Мощность Р1 (электрическая мощность или подводимая мощность) определить по формуле(9).
Электрические потери в цепи якоря PЭа определить по формуле (6).
Электрические потери в контакте щеток PЭщ определить по формуле (8).
Электромагнитную мощность РЭМ определить по формуле (1).
Согласно ГОСТ для двигателей без компенсационной обмотки значение добавочных потерь Рд принимают равным 1% от подводимой мощности:
Полезная механическая мощность на валу двигателя:
Электромагнитный момент двигателя:
Момент на валу Нм. (45)
По расчетным данным построить следующие характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения:
) скоростную характеристику (электромеханическую) n=f(Ia);
) моментную характеристику Mэм=f(Ia);
) механическую характеристику n=f(Mэм).
) рабочие характеристики М P1 Iа n =f(P2).
4 Регулировочная характеристика
Регулировочную характеристику двигателя постоянного тока снимают при изменении тока в цепи возбуждения Iд=f(Iв) n=f(Iв) при Mд=const .
Опыт проводить по схеме (рисунок 10) в следующей последовательности:
Увеличивая сопротивление “R3” в цепи возбуждения двигателя М3 снять 5 точек характеристики;
Результаты измерений занести в таблицу 5
Таблица 5 – Регулировочная характеристика
По результатам измерений построить графики Iд=f(Iв) и n=f(Iв).
1 Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
2 Способы пуска двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Какой способ пуска применяли в лабораторной работе?
3 Напишите уравнение напряжения на якоре двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
4 Из уравнения напряжения выведите уравнения тока якоря и скорости вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения.
5 Почему пусковой ток значительно превышает номинальный ток якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения?
6 Почему с увеличением нагрузки частота вращения двигателя постоянного тока независимого возбуждения уменьшается?
7 Напишите формулу электромагнитного момента двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Объясните величины определяющие электромагнитный момент.
8 Напишите зависимость электромагнитного момента двигателя постоянного тока независимого возбуждения от его мощности и угловой скорости вращения якоря.
9 Перечислите потери мощности в двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Какие из них относятся к постоянным а какие - к переменным и почему?
10 Напишите уравнение КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения. Нарисуйте график зависимости КПД от величины нагрузки.
11 При каком условии КПД двигателя постоянного тока независимого возбуждения достигает максимума?
12 Как изменить направление вращения якоря двигателя постоянного тока независимого возбуждения?
13 Двигатель постоянного тока независимого возбуждения работает с номинальной нагрузкой. Что будет с ним если произойдёт обрыв цепи возбуждения?
14 Устройство и принцип действия двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
15 Способы пуска двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Какой способ пуска применяли в лабораторной работе?
16 Из уравнения напряжения выведите уравнения тока якоря и скорости вращения двигателя постоянного тока последовательного возбуждения.
17 Почему пусковой ток значительно превышает номинальный ток якоря двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
18 Почему с увеличением нагрузки скорость вращения якоря двигателя уменьшается?
19 Напишите зависимость электромагнитного момента двигателя постоянного тока последовательного возбуждения от его мощности и угловой частоты вращения якоря.
20 Перечислите потери мощности в двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Какие из них относятся к постоянным а какие - к переменным и почему?
21 Напишите уравнение КПД двигателя постоянного тока последовательного возбуждения. Нарисуйте график зависимости КПД от величины нагрузки.
22 При каком условии КПД двигателя постоянного тока последовательного возбуждения достигает максимума?
23 Как изменить направление вращения якоря двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
24 Двигатель постоянного тока последовательного возбуждения работает с номинальной нагрузкой что будет с ним если произойдёт отсоединение механической нагрузки?
25 Что представляют собой рабочие характеристики двигателя постоянного тока последовательного возбуждения?
Жерве Г. К. Промышленные испытания электрических машин.
Изд.4-е. -Л.: Энергоатомиздат 1984 - 408 с. 621.313ж 52.
Кацман М. М. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам и электроприводу. - М.:В.ш.1983. - 216 с.
Кацман М. М. Электрические машины: Учебник для студентов средних профессиональных учебных заведений. 3-е издание исправленное - М.:Высщая школа2000. - 463с.:ил.УДК 621.313 ББК31.26 К30.
Костенко М. П. Пиотровский Л. М. Электрические машины. ч.2. - Л.: Энергия 1973. - 648 с.
Николаев С. А. и др. Практикум по электрическим машинам и аппаратам. Руководство к лабораторным работам по электрическим машинам М.: Энергия 1975. – 126 c.
ГОСТ7217-79 (СТ. СЭВ168-75). Электродвигатели трёхфазные асинхронные. Методы испытаний. - М.: Госстандарт.
ГОСТ183-74 (СТ. СЭВ1346-78). Машины электрические вращающиеся. Общие технические условия. - М.: Госстандарт.
Копылов И.П. Электрические машины: Учебник для вузов. – 2-е издание переработанное – М.: Высшая школа; «Логос»; 2000.-607с. УДК 621.313 ББК31.26 К65.
Вольдек А. И. Электрические машины. - Л.: Энергия 1978. - 832с.