Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра ЭЭТС

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург 2011

 

Основные определения и технические данные электрических машин

 

Значительное разнообразие типов и конструкций электрических машин, необходимость оценки и сравнения их характеристик привели к стандартизации основных понятий и определений, параметров и режимов работы машин.

Установленные термины и определения этих величин являются обязательными для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе. Ниже приводятся основные из них, относящиеся ко всем типам вращающихся электрических машин независимо от их назначения и конструктивного исполнения.

Номинальными данными электрической машины называют данные, характеризующие ее работу в режиме, для которого она предназначена заводом-изготовителем. К номинальным данным относятся мощность, напряжение, ток, частота, КПД, коэффициент мощности, частота вращения и ряд других специфических данных в зависимости от типа и назначения машины.

Номинальные данные характеризуют условия работы машины, установленной на высоте до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия и охлаждающей воды 30 градусов Цельсия, если в стандартах или технических условиях на данный конкретный тип машины не установлена другая температура охлаждающей среды.

Режим работы электрической машины - установленный порядок чередования и продолжительности нагрузки, холостого хода, торможения, пуска и реверса машины во время ее работы. Номинальным режимом работы называется режим, для работы в котором электрическая машина предназначена.

Номинальная мощность - мощность, для работы с которой в номинальном режиме машина предназначена. Для различных типов машин номинальной мощностью является:

Для генераторов переменного тока - полная электрическая мощность на выводах при номинальном коэффициенте мощности, В·А;

Для генераторов постоянного тока - электрическая мощность на выводах машины, Вт;

Для двигателей переменного и постоянного тока - механическая мощность на валу, Вт;

Для синхронных и асинхронных компенсаторов - реактивная мощность на выводах компенсатора, вар.

Номинальное напряжение - напряжение, на которое машина рассчитана для работы в номинальном режиме с номинальной мощностью. Номинальным напряжением трехфазных машин является линейное напряжение.

Номинальным напряжением ротора асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой называют напряжение на выводах разомкнутой обмотки ротора при включенной на номинальное напряжение обмотке статора.

Номинальный ток - ток, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальное напряжение возбуждения - напряжение на выводах обмотки возбуждения машины с учетом падения напряжения под щетками при питании ее номинальным током возбуждения.

Номинальный ток возбуждения - ток возбуждения, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальная частота вращения - частота, соответствующая работе машины при номинальных напряжении, мощности тока и номинальных условиях применения.

Номинальные условия применения - условия, установленные стандартом на данный конкретный тип машины при номинальной частоте вращения.

Коэффициент полезного действия - отношение полезной мощности к затрачиваемой; для генераторов - отношение активной электрической мощности, отдаваемой в питающую сеть, к затрачиваемой механической мощности; для двигателей - отношение полезной механической мощности на валу к активной подводимой электрической мощности. Номинальный КПД - указанное отношение мощностей при работе машины с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Коэффициент мощности машин переменного тока: для генераторов - отношение отдаваемой активной электрической мощности, Вт, к полной отдаваемой электрической мощности, В А; для двигателей - отношение активной потребляемой электрической мощности, Вт, к полной потребляемой электрической мощности, В А. Номинальный коэффициент мощности электрической машины - указанное отношение мощностей при работе машины в номинальном режиме, с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Основные определения, относящиеся к условиям работы машины и ее характеристикам следующие.

Нагрузка - мощность, которую развивает электрическая машина в данный момент времени. Нагрузка может выражаться током, потребляемым или отдаваемым электрической машиной. Номинальная нагрузка соответствует номинальной мощности машины.

Практически неизменная нагрузка - нагрузка, при которой отклонение тока, напряжения и мощности машины от значений, соответствующих заданному режиму, составляет не более 3%, тока возбуждения и частоты - не более 1 %.

Симметричная трехфазная система напряжений - трехфазная система напряжений, в которой напряжение обратной последовательности не превышает 1 % напряжения прямой последовательности.

Симметричная система токов - трехфазная система, для которой ток обратной последовательности не превышает 5% тока прямой последовательности.

Начальный пусковой ток электродвигателя - установившийся ток при неподвижном роторе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте, соответствующих номинальным условиям работы двигателя.

Начальный пусковой момент электродвигателя - вращающий момент, развиваемый при неподвижном роторе, установившемся токе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте.

Максимальный вращающий момент электродвигателя переменного тока - наибольший момент, развиваемый в установившемся режиме при номинальных напряжении и частоте, при соединении обмоток двигателя, соответствующем номинальным условиям работы.

Минимальный вращающий момент асинхронного двигателя - наименьший момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. В процессе разгона от неподвижного состояния до частоты вращения, соответствующей максимальному моменту при номинальных напряжении и частоте.

Критическое скольжение асинхронной машины - скольжение, при котором машина развивает максимальный вращающий момент.

Номинальное изменение напряжения электрических генераторов - изменение напряжения на выводах генератора, работающего на автономную сеть с неизменной и равной номинальной частотой вращения при изменении его нагрузки от номинальной до холостого хода.

Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя - изменение частоты вращения двигателя, работающего при номинальном напряжении и номинальной частоте тока, при изменении нагрузки от номинальной до нулевой.

Надежность конструкции электрических машин определяется как свойство электрических машин сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения , и транспортирования.

Безотказность - свойство электрической машины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Ремонт - экономически оправданный комплекс работ для восстановления работоспособности электрической машины путем замены изношенных элементов.

Межремонтный период - наработка электрических машин между двумя плановыми ремонтами.

Ремонтопригодность - приспособленность электрической машины к выполнению ремонтов для предупреждения и устранения отказов.

Резервирование - повышение надежности электрических машин введением избыточных, т. е. дополнительных средств и возможностей сверх минимально требуемых.

Модернизация - приведение характеристик находящихся в эксплуатации электрических машин в соответствие современными требованиями и улучшение их технических характеристик путем внедрения частичных изменений и усовершенствований.

К понятиям, характеризующим эксплуатацию электрических машин, относятся также понятия из области надежности (отказ, наработка, безотказность, работоспособность, ресурс, срок службы).

Электродвигатель постоянного тока - электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Электродвигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока, так как электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

При подаче постоянного напряжения к зажимам электрической машины постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря возникает ток. В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения в магнитопроводе статора, возникает электромагнитный момент электродвигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. При этом электромагнитный момент, развиваемый двигателем, где см - коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа полюсов электродвигателя; Ф - магнитный поток одной пары главных полюсов электродвигателя; Iя - ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС, которая при работе машины в режиме двигателя направлена против тока якоря и, так же как и при работе машины в режиме генератора, равна где n - частота вращения якоря электродвигателя; се - коэффициент, зависящий от конструктивных элементов машины.

Для изменения направления вращения электродвигателя постоянного тока необходимо изменить полярность напряжения, подводимого к якорю или обмотке возбуждения. В зависимости от способа включения обмотки возбуждения различают электродвигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

У двигателей с параллельным возбуждением обмотка рассчитана на полное напряжение питающей сети и включается параллельно цепи якоря.

Двигатель с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения, которая включается последовательно с якорем, поэтому эта обмотка рассчитана на полный ток якоря.

Двигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки, одна включается параллельно, другая - последовательно с якорем.

При пуске электродвигателей постоянного тока (независимо от способа возбуждения) путем прямого включения в питающую сеть возникают значительные пусковые токи, которые могут привести к выходу их из строя. Это происходит в результате выделения значительного количества теплоты в обмотке якоря и последующего нарушения ее изоляции. Поэтому пуск двигателей постоянного тока производится специальными пусковыми приспособлениями. В большинстве случаев для этих целей применяется простейшее пусковое приспособление - пусковой реостат. Процесс пуска электродвигателя постоянного тока с пусковым реостатом показав на примере двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Исходя из уравнения, составленного в соответствии со вторым законом Кирхгофа для правой части электрической цепи, ток якоря

В начальный момент пуска электродвигателя частота вращения якоря n = 0, поэтому противоэлектродвижущая сила, наводимая в обмотке якоря, в соответствии с полученным ранее выражением также будет равной нулю (Е=ceФn=0).

Сопротивление обмотки якоря Rя - величина довольно малая. Для того чтобы ограничить возможный при этом недопустимо большой пусковой ток в цепи якоря, последовательно с якорем независимо от способа возбуждения двигателя включается пусковой реостат (пусковое. сопротивление Rпуск). В этом случае пусковой ток якоря.

Сопротивление пускового реостата Rпуск рассчитывают для работы только на время пуска и подбирают таким образом, чтобы пусковой ток якоря электродвигателя не превышал допустимого значения. По мере разгона электродвигателя ЭДС, наводимая в обмотке якоря, вследствие возрастания частоты его вращения n возрастает (Е=сenФ), ток якоря при прочих равных условиях уменьшается, и сопротивление пускового реостата Rпуск необходимо постепенно уменьшать. После окончания разгона двигателя до номинального значения частоты вращения якоря ЭДС возрастает настолько, что пусковое сопротивление может быть сведено к нулю, без опасности значительного возрастания тока якоря.

Таким образом, пусковое сопротивление Rпуск в цепи якоря необходимо только при пуске. В процессе нормальной работы электродвигателя оно должно быть отключено, поскольку, во-первых, рассчитано на кратковременную работу во время пуска, а во-вторых, при наличии пускового сопротивления в нем будут возникать тепловые потери мощности, равные, существенно снижающие КПД электродвигателя.

Для электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи (см. рис. 9.29) уравнение электрического равновесия имеет вид E=U - RяIя.