Лекции по "Эллектротехнике"

Выбор той или иной схемы соединения обмоток трансформатора зависит от его области применения, условий эксплуатации и экономических соображений. Например, соединение звездой выгодно для обмоток высшего напряжения, так как при данном линейном напряжении обмотка каждой фазы может быть рассчитана на фазое напряжение, что снижает требования к изоляции обмоток. Соединение треугольником выгодно производить на стороне низшего напряжения при бльших токах, так как в этом случае обмотка каждой фазы рассчитывают на фазное значение тока.

Явления, происходящие в каждой фазе трёхфазного трансформатора, ничем не отличаются от тех явлений, которые  имеют место в однофазном трансформаторе.

 

 

Лекция 26.

Тема 7.1. Электрические машины постоянного тока.

 

 

1. Устройство.

 

 

 

Машины постоянного тока обратимы, т. е одна и та же машина может работать как генератором, так и электродвигателем. Однако при их проектировании и изготовлении учитывают, в каком качестве будет работать машина и создают её с нужными техническими характеристиками для работы именно в этом качестве.

Неподвижная часть машины - индуктор (станина). На нём расположены главные и дополнительные полюса.

Вращающаяся часть машины – якорь.

Якорем у всех машин (и постоянного и переменного тока) называют так же ту часть машины, в которой один вид энергии преобразуется в другой.

Обмотка якоря.

Обмотка якоря состоит из многовитковых секций, уложенных в пазы сердечника якоря. Стороны секций, находящиеся в пазах, называют активными. Концы секций присоединяют к медным коллекторным пластинам, изолированным друг от друга и образующим коллектор. На коллектор опираются угольные щётки. Щётки делят замкнутую обмотку якоря на несколько параллельных ветвей. Через щётки и коллектор обмотка якоря соединяется с внешними устройствами.

2. Физические процессы в машинах.

ЭДС обмотки якоря.

Катушки, находящиеся на главных полюсах, соединяются между собой и образуют обмотку возбуждения. Ток, проходящий по обмотке возбуждения, возбуждает магнитное поле. При вращении якоря в этом поле в активных частях проводников обмотки якоря индуктируется ЭДС e = Blv (см. формулу 2.5), где B – магнитная индукция в воздушном зазоре между индуктором и якорем; l – длина активной части проводника; v – линейная скорость проводника.

Из формулы 2.1 следует, что B= Ф/S, где S – площадь поверхности якоря, находящаяся между серединами двух соседних главных полюсов; Ф – магнитный поток одного главного полюса.

Линейная скорость якоря v (скорость проводников обмотки якоря), как известно из механики, зависит от угловой скорости якоря ω и от его диаметра.

ЭДС обмотки якоря равна сумме ЭДС всех проводников , входящих в параллельную ветвь обмотки.

Из сказанного следует, что ЭДС Е, индуктированная в обмотке якоря, зависит от конструктивных характеристик машины (длины якоря, его диаметра, числа главных полюсов, количества проводников в одной параллельной ветви), а так же от магнитного потока одного полюса. Эта зависимость выражается формулой:

E = kωФ 7.1

k – постоянная машины, зависящая от её конструктивных характеристик.

Электромагнитны момент.

Если по обмотке якоря протекает ток, то на каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила F = BlI1 (см формулу 2.3).

I1 – ток в одном проводнике;

В параллельных ветвях обмотки якоря проводники соединены между собой последовательно, поэтому если ток обмотки якоря , равный сумме токов параллельных ветвей обозначить I, то I1 = I/2a, где 2a – число параллельных ветвей.

Сумма всех сил создаёт электромагнитный момент М, который будет действовать на якорь машины.

M = kIФ 7.2

k – постоянная машины; Ф – магнитный поток одного главного полюса; I – ток в обмотке якоря.

Реакция якоря.

При прохождении тока по обмотке якоря магнитный поток в машине создаётся не только главными полюсами (обмоткой возбуждения), но и током обмотки якоря.

Реакция якоря - влияние тока обмотки якоря на магнитный поток обмотки возбуждения. Реакция якоря искажает магнитное поле машины и приводит к различным негативным последствиям в её работе ( например, к искрению под щётками, уменьшению ЭДС обмотки якоря и т.д.).

Коммутация.

При вращении якоря секции его обмотки последовательно друг за другом переходят из одной параллельной ветви в другую

Коммутация – процесс перехода (переключения) секций обмотки якоря из одной параллельной ветви в другую.

В результате коммутации может возникнуть искрение под щётками.

Для исключения искрения, возникающего в результате коммутации и реакции якоря предназначены дополнительные полюса. Их устанавливают между главными полюсами. катушки дополнительных полюсов соединяют последовательно с обмоткой якоря.

У машин небольшой мощности может быть один дополнительный полюс. У более мощных машин число дополнительных полюсов равно числу главных.

3. Классификация машин по способу возбуждения.

 

Обмотка возбуждения L машины с независимым возбуждением получает питание от независимого источника.

Машины последовательного, параллельного и смешенного возбуждения относятся к машинам с смовозбуждением.

Последовательная L1 и параллельная L2 обмотки возбуждения могут включаться между собой согласно (магнитные потоки обмоток направлены в одну сторону) или встречно (магнитные потоки направлены в противоположные стороны).

4. Генераторы постоянного тока.

Принцип действия генератора основан на использовании явления электромагнитной индукции.

При вращении рамки (секции обмотки якоря) в магнитном поле в её активных сторонах аб и вг индуктируются ЭДС, направление которых определяется по правилу правой руки.

Концы рамки присоединены к двум полукольцам (к двум коллекторным пластинам). Если через полукольца и щётки рамку соединить с потребителем (например, лампочкой), то в образовавшейся замкнутой электрической цепи под действием суммы ЭДС, индуктированных в активных сторонах рамки, потечёт ток.

При повороте рамки на 1800 направление ЭДС в её активных сторонах изменится на противоположное, а направление тока во внешней цепи (через лампочку) не изменится. Таким образом, у генератора полукольца (коллектор) служат не только для соединения рамки (обмотки якоря) с потребителями, но и для выпрямления тока во внешней цепи.

5. Электродвигатели постоянного тока.

Принцип действия электродвигателя основан на использовании электромагнитных сил. Направление электромагнитных сил Fэм, действующих на проводники с током определяется по правилу левой руки. Эти силы создают электромагнитный момент M, под действие которого якорь двигателя вращается. Полукольца (пластины коллектора), на которые опираются щётки А и В изменяют направление тока в проводниках обмотки якоря при его повороте на 1800. Таким образом, у электродвигателя коллектор предназначен не только для соединения обмотки якоря с источником постоянного тока, но и для изменения направления тока в проводниках обмотки якоря.

Направление ЭДС, индуктированных в проводниках, определяется по правилу правой руки. На рис. 7.4 ЭДС в проводниках направлены противоположно направлению тока в этих же проводниках. Именно по этому ЭДС, индуктированная при вращении якоря электродвигателя его якорной обмотке, называется противо-ЭДС.

Электродвигатели предназначены для передачи механической энергии со своего вала на вал рабочих машин (насосов, вентиляторов, грузоподъёмных механизмов и т.д.). При работе электродвигателя электромагнитному моменту М, вращающему вал двигателя, противодействует момент сопротивления Мс, создаваемый рабочей машиной. В установившемся режиме работы (при постоянной угловой скорости) эти моменты равны между собой. Изменение момента сопротивления приведёт к изменению количества энергии, потребляемой двигателем. Ток якоря изменится, что приведёт к изменению вращающего момента (см. 7.2), которое будет происходить до тех пор, пока не наступит равенство межу моментами М и Мс. При достижении равенства моментов двигатель продолжит работу с новой установившейся скоростью.

Из сказанного выше следует, что электродвигатели обладают способностью к саморегулированию.

 

 

Лекция 27.

Тема 7.2. Электрические машины переменного тока

Асинхронные двигатели.

1. .

Электрические машины переменного тока, так же как и машины постоянного тока обратимы, т.е. одна и та же машина может работать как электродвигателем, так и генератором.

Статор – неподвижная часть машины переменного тока.

Ротор – вращающаяся часть машины.

Существуют два вида машин переменного тока: асинхронные и синхронные

У асинхронных машин магнитное поле статора и ротор вращаются с разными скоростями: у двигателя скорость вращения магнитного поля статора несколько больше скорости вращения ротора, а у генератора наоборот – скорость вращения поля статора меньше скорости вращения ротора.

У синхронных машин магнитное поле статора и ротор вращаются с одинаковыми скоростями.

Асинхронные генераторы применяются значительно реже, чем синхронные.

Из-за простоты конструкции и надёжности в эксплуатации наиболее широкое применение находят асинхронные электродвигатели (АД).

Существуют однофазные, двухфазные и трёхфазные асинхронные двигатели. Трёхфазные двигатели применяют для привода силовых механизмов (насосов, грузоподъёмных устройств и т.д.). однофазные и двухфазные двигатели используют а системах автоматики и бытовых приборах.

Трёхфазный асинхронный электродвигатель, изобретённый в конце XIX века русским инженером-электротехником М.О. Доливо-Добровольским, получил в настоящее время преимущественное распространение. Асинхронные электродвигатели – самые простые и надёжные в эксплуатации.

Различают два вида асинхронных электродвигателей: с короткозамкнутым ротором и с фазным ротором.

1. Устройство трёхфазного асинхронного двигателя.

 

Устройство статора (неподвижной части) у двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами одинаково. Он состоит из алюминивого или чугунного корпус, в который запрессован стальной сердечник с пазами. В пазы укладывают трёхфазную обмотку, у которой оси фаз расположены под углами 1200 относительно друг друга. Фазы могут быть соединены между собой звездой или треугольником.

С1, С2, С3 – начала фаз;С4, С5, С6– концы фаз.

На внешней стороне корпуса находится коробка выводов. Если фазы соединяют внутри статора, то в коробке выводов находятся три вывода от обмотки статора. Если в коробке выводов находятся выводы от начал и концов каждой фазы, то соединение нужно производить в коробке выводов.

Ротор – вращающаяся часть двигателя.

В короткозамкнутом роторе в пазы сердечника укладывают алюминиевые, медные или латунные неизолированные стержни. С торцов ротора стержни соединяют между собой кольцами из тех же материалов, что и стержни. Таким образом, получают короткозамкнутую обмотку.

В фазном роторе в пазы сердечника укладывают трёхфазную обмотку. Выводы от фаз обмотки присоединяют к медным кольцам, расположенным на валу двигателя. Через кольца и угольные щётки обмотку ротора соединяют с внешними устройствами (пусковыми и регулировочными реостатами, сопротивлениями, которые предназначены для изменения характеристик двигателя).

2. Принцип действия трёхфазного асинхронного двигателя.

Если обмотку статора присоединить к трёхфазному источнику тока, то в статоре образуется магнитное поле, вращающееся вокруг оси статора(на рис. 7.7 это поле имеет два полюса N1и S1). В зависимости от того, какая фаза обмотки присоединена к той или иной фазе источника, поле будет вращаться по или против часовой стрелки. Вращающееся поле пересекает проводники обмотки ротора и индуктирует в них ЭДС, под действием которых в короткозамкнутой обмотке протекает ток. Возникают электромагнитные силы, действующие на проводники обмотки ротора. Силы создают электромагнитный момент, под действием которого ротор вращается. Скорость вращения ротора всегда меньше скорости вращения поля статора, т.к в противном случае оно не будет пересекать проводники обмотки ротора и электромагнитного момента не будет. Ротор как бы скользит вдоль поля статора.

Относительную разность скоростей поля статора и ротора называют скольжением.

7.3

де ω 1 и n1 – угловая скорость и скорость вращения в об/мин магнитного поля статора (синхронная скорость АД).

ω; n – угловая скорость и скорость вращения в об/мин ротора.

С увеличением нагрузки двигателя скорость ротора уменьшается и, как следует из 7.3, скольжение увеличивается.

 

 

Лекция 28.

Тема 7.2. Электрические машины переменного тока.

1. .
1. Физические процессы в трёхфазном двигателе.

Частота ЭДС в обмотке ротора:

 

7.4.

n2 – скорость, с которой поле статора пересекает проводники вращающегося ротора;

f2 – частота ЭДС, которая индуктируется в обмотке ротора.

Асинхронный двигатель подобен трансформатору, у которого первичная и вторичная обмотки разделены воздушным промежутком: обмотка статора подобна первичной обмотке трансформатора, а обмотка ротора – вторичной обмотке.