Краткие теоретические сведения

Краткие теоретические сведения. Уравнение электрического состояния для двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением (рис

Уравнение электрического состояния для двигателя постоянного тока (ДПТ) с параллельным возбуждением (рис. 1) имеет следующий вид: U = E + R_яI_я = c_enФ + R_яI_я .

Отсюда ,

где U – напряжение сети;

E = c_enФ – противо-ЭДС, индуктируемая

в обмотке якоря при его вращении;

I_я – ток в обмотке якоря;

c_e – конструктивный параметр;

n – частота вращения якоря;

Ф – магнитный поток;

R_я – сопротивление обмотки якоря.

В момент пуска, когда якорь неподвижен, противо-ЭДС равна нулю. Так как сопротивление якоря обычно очень мало, то пусковой ток I_яП = U/R_я будет во много раз превосходить номинальный. Это недопустимо, так как увеличение тока приводит к перегреву обмотки и повышенному искрению под щётками, что может привести к выходу коллектора из строя. Для ограничения пускового тока необходимо уменьшить напряжение, подводимое к якорю. Обычно для этой цели применяют пусковые реостаты – регулируемые резисторы, включаемые последовательно обмотке якоря. Сопротивление пускового реостата выбирается таким образом, чтобы пусковой ток не превышал кратковременно допустимого значения (2 ¸ 2,5)I_н.

На рис. 2 показана схема подключения ДПТ параллельного возбуждения с использованием пускового реостата R_д и регулятора тока возбуждения R_в. При включении двигателя цепь возбуждения должна находиться под полным напряжением сети, что обеспечивается предварительной установкой минимального сопротивления R_в. Одновременно устанавливают сопротивление R_д максимальным. Это обеспечивает достаточно большой пусковой момент M_п = с_мI_япФ при относительно малом пусковом токе, с_м = 30с_е/p. При отключении двигателя от сети цепь обмотки возбуждения не разрывается, а остаётся замкнутой на обмотку якоря, этим исключаются опасные перенапряжения, способные привести к пробою изоляции обмотки возбуждения.

Пуск непосредственным включением (без пускового реостата) применяется только для ДПТ малой мощности (до 1 кВт), имеющих сравни­тельно большое сопротив­ле­ние якоря.

Важное значение имеет механическая характерис­тика двигателя – зависимость частоты вращения двигателя от момента сопротивления n=f(М) при неизменных напряжении сети U и токе возбуждения I_в. Для двигателя параллельного возбуждения эта зависимость выражается следующей формулой:

,

где R_д – добавочное сопротивление, включенное последовательно якорю.

Механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения без учёта размагничивающего действия реакции якоря представляет собой прямую (рис. 3). Частота вращения n, соответствующая моменту M = 0 (I_я = 0) называется пограничной или частотой вращения идеального холостого хода. Наклон механической характеристики определяет степень зависимости частоты вращения от статического момента сопротивления. Если при изменении момента сопротивления частота вращения изменяется мало, то характеристика считается жёсткой.

Механическая характеристика при отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_д = 0) и номинальном напряжении U_Н называется естественной механической характеристикой. Механические характеристики при других условиях называются искусственными.

Механическая характеристика снимается следующим образом. Устанавливается номинальный режим (U = U_н, I = I_н, n = n_н), затем двигатель разгружается. Ток возбуждения поддерживается неизменным. В процессе опыта измеряется частота вращения при различных значениях момента сопротивления.

На рис. 4 представлено семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений добавочного сопротивления R_д при неизменном напряжении сети и токе возбуждения I_в = const. Из рисунка видно, что одному и тому же статическому моменту сопротивления М_ст при различных значениях R_д соответствуют различ­ные значения частоты вращения двигателя. Таким образом, измене­нием сопротивления в цепи якоря можно регулировать частоту вращения.

Процесс изменения частоты вращения двига­теля при изменении сопротивления в цепи якоря протекает следующим образом. Предположим, что режим работы двигателя определяется точкой 1 на естественной (а) меха­нической характеристике. Доба­вочное сопротивление R_д = 0. При моменте сопротивле­ния, равном М_СТ, двигатель вращается с частотой n₁. В цепь якоря вводится добавочное сопротивление R_д1, которому соответствует искусственная (б) механическая характеристика. Так как вращающиеся части машины обладают инерцией, то при изменении сопротивления цепи якоря скорость вращения не может измениться мгновенно. Следовательно, в первый момент после изменения сопротивления сохранится частота вращения n₁. Но при такой частоте вращения двигатель теперь развивает момент М₂. Этот момент меньше статического момента сопротивления M_ст. Вращение станет замедленным. Частота вращения будет понижаться до тех пор, пока вращающий момент, развиваемый двигателем, не станет равным моменту сопротивления. Равновесие будет достигнуто при частоте вращения n₂, соответствующей точке 3 на характеристике (б). Если теперь уменьшить добавочное сопротивление до значения R_д2

Регулировать частоту вращения двигателя изменением сопротивления цепи якоря можно только в пределах от номинальной частоты вращения до нуля. Регулирование может быть плавным или ступенчатым. Регулировочный реостат, в отличие от пускового, должен рассчитываться на длительный режим работы.

Рассмотренный способ регулирования скорости вращения является неэкономичным, так как сопряжён со значительными потерями на добавочном сопротивлении.

Регулировать скорость вращения n двигателя параллельного возбуждения можно и изменением магнитного потока Ф. Семейство механических характеристик двигателя параллельного возбуждения для различных значений магнитного потока представ­лено на рис. 5. Пусть режим работы характеризуется точкой 1 естественной (а) механи­ческой характерис­тики. Моменту сопротив­ления М_СТ соответствует частота вращения n₁. Если теперь увеличить сопротив­ле­ние реостата R_в в цепи возбуждения (рис. 2), то ток возбуждения I_в и магнитный поток Ф уменьшатся. Пусть новому значению потока соответствует искусственная механическая характеристика (б). При частоте вращения n₁ двигатель будет развивать момент М₂ (точка 2). Так как этот момент больше статического момента сопротивления, то вращение двигателя станет ускоренным. Частота вращения повысится до значения n₂ (точка 3), при котором момент, развиваемый двигателем, будет равен моменту сопротивления.

Так как в номинальном режиме магнитная система машины близка к насыщению, то регулирование частоты вращения изменением магнитного потока (полюсное регулирование) обычно ведётся только вверх от номинальной, то есть от n = n_н до n = n_max. Максимальное значение частоты вращения ограничивается условиями коммутации и механической прочностью якоря и коллектора. Для двигателей нормального исполнения обычно допускается превышение частоты вращения на 20 % от номинальной.

При полюсном регулировании необходимо помнить, что при неизменном моменте сопротивления уменьшение магнитного потока приводит к возрастанию тока якоря. При длительной работе ток якоря не должен превышать номинального I_я £ I_ян. По­люсное регулирование двигателей параллельного возбуждения широко распространено. Этот способ регулирования прост и экономичен.

Рабочие характеристики дают представление о свойствах двигателя. Рабочими характеристиками называют зависимости потребляемой мощности P₁, потребляемого тока I, частоты вращения n, момента М, тока якоря I_я и КПД h от мощности на валу двигателя P₂ при неизменных напряжении U = const и токе возбуждения I_в = const. На рис. 6 представлены примерные графики этих зависимостей.

Для реверсирования двигателя необходимо изменить направление тока якоря, оставив неизменным направление магнитодвижущей силы (МДС) обмотки возбуждения, или изменить направление МДС обмотки возбуждения, оставив прежним направление тока в якорной обмотке.

Выберите электрическую схему коллекторной машины постоянного тока с параллельным возбуждением

ответ 2)

8. Укажите рабочую характеристику n(P2) коллекторного двигателя

Постоянного тока с параллельным возбуждением.

ответ 2)

На каком законе электротехники основан принцип действия трансформатора?

1) На законе электромагнитных сил. 2) На законе Ома.

На законе электромагнитной индукции.

4) На первом законе Кирхгофа. 5) На втором законе Кирхгофа.

10. Как соотносятся по величине токи холостого хода I0 и номинальный I1н в

Трансформаторах средней мощности?

ответ 1)

11. В соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом правой руки выберите правильное направление индуктированной ЭДС в проводнике роторной обмотки асинхронного двигателя.

Ответ 1)

Почему номинальный момент асинхронного двигателя при введении реостата в фазный ротор уменьшается при том же скольжении?

1) Увеличивается сопротивление ротора.

2) Увеличивается активное сопротивление ротора.

Уменьшается активная составляющая роторного тока.

4) Уменьшается роторный ток.

5) Увеличивается индуктивное сопротивление ротора.

Какое взаимоположение полюсов ротора и результирующего магнитного потока соответствует установившемуся режиму нагруженного синхронного двигателя нормального исполнения?

ответ 4)

Перед включением синхронного генератора на параллельную работу с

Сетью должны выполняться четыре условия. Какое условие выполняется с по-

Мощью регулирования тока обмотки возбуждения?

1) Eг = Uс; 2) fг = fс

3) Чередование фаз генератора, сети и волновые диаграммы eг и uс должны быть одинаковы.

4) eг и uс должны быть в противофазе.

Выберите правильную формулу электромагнитного момента коллекторной машины постоянного тока.

ответ 1)

Выберите электрическую схему коллекторной машины постоянного тока со смешанным возбуждением.

ответ 4)

Зав. кафедрой Преподаватель

РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра:«Электроснабжение»

Дисциплина: «Электрические машины»

Направление подготовки: «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроснабжение»

Протокол №2 от 2.09.2014г.

Билет № 4

Что произойдет с трансформатором, если его включить в сеть постоянно-

Го напряжения той же величины?

1) Ничего не произойдет. 2) Может сгореть. 3) Уменьшится основной магнитный поток.

4) Уменьшится магнитный поток рассеяния первичной обмотки.

Какой режим работы соответствует опыту холостого хода трансформатора?

3. Какая рабочая характеристика асинхронного двигателя соответствует зависимости коэффициента мощности cosϕ от мощности P2 на валу? Ответ 4)

4. Какая точка механической характеристики асинхронного двигателя соответствует реальному холостому ходу? Ответ 1)

Дата добавления: 2018-04-04 ; просмотров: 4223 ; Мы поможем в написании вашей работы!

Двигатели параллельного возбуждения

Дата публикации: 12 марта 2013 .
Категория: Статьи.

Естественные скоростная и механическая характеристики

Рассмотрим более подробно характеристики двигателя параллельного возбуждения, которые определяют его рабочие свойства.

Скоростная и механическая характеристики двигателя определяются равенствами (7) и (9), представленными в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при U = const и i_в = const. При отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря эти характеристики называются естественными.

Если щетки находятся на геометрической нейтрали, при увеличении I_а поток Ф_δ несколько уменьшится вследствие действия поперечной реакции якоря. В результате этого скорость n, согласно выражению (7), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», будет стремится возрасти. С другой стороны, падение напряжения R_а × I_а вызывает уменьшение скорости. Таким образом, возможны три вида скоростной характеристики, изображенные на рис. 1: 1 – при преобладании влияния R_а × I_а; 2 – при взаимной компенсации влияния R_а × I_а и уменьшения Ф_δ; 3 – при преобладании влияния уменьшения Ф_δ.

Ввиду того что изменение Ф_δ относительно мало, механические характеристики n = f(M) двигателя параллельного возбуждения, определяемые равенством (9), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», при U = const и i_в = const совпадают по виду с характеристиками n = f(I_а) (рисунок 1). По этой же причине эти характеристики практически прямолинейны.

Рисунок 1. Виды естественных скоростных и механических характеристик двигателя параллельного возбуждения

Характеристики вида 3 (рисунок 1) неприемлемы по условиям устойчивой работы (смотрите статью «Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока»). Поэтому двигатели параллельного возбуждения изготавливаются со слегка падающими характеристиками вида 1 (рисунок 1). В современных высокоиспользованных машинах ввиду довольно сильного насыщения зубцов якоря влияние поперечной реакции якоря может быть настолько большим, что получить характеристику вида 1 (рисунок 1) невозможно. Тогда для получения такой характеристики на полюсах помещают слабую последовательную обмотку возбуждения согласного включения, намагничивающая сила которой составляет до 10% от намагничивающей силы параллельной обмотки возбуждения. При этом уменьшение Ф_δ под воздействием поперечной реакции якоря частично или полностью компенсируется. Такую последовательную обмотку возбуждения называют стабилизирующей, а двигатель с такой обмоткой по-прежнему называется двигателем параллельного возбуждения.

Изменение скорости вращения Δn (рисунок 1) при переходе от холостого хода (I_а = I_а0) к номинальной нагрузке (I_а = I_ан) у двигателя параллельного возбуждения при работе на естественной характеристике мало и составляет 2 – 8% от n_н. Такие слабо падающие характеристики называются жесткими. Двигатели параллельного возбуждения с жесткими характеристиками применяются в установках, в которых требуется, чтобы скорость вращения при изменении нагрузки сохранялась приблизительно постоянной (металлорежущие станки и прочее).

Рисунок 2. Механические и скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения при разных потоках возбуждения

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока

Регулирование скорости посредством ослабления магнитного потока производится обычно с помощью реостата в цепи возбуждения R_р.в (смотрите рисунок 1, б в статье «Общие сведения о генераторах постоянного тока» и рисунок 1 в статье «Пуск двигателей постоянного тока»). При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря (R_ра = 0) и U = const характеристики n = f(I_а) и n = f(M), определяемые равенствами (7) и (9), представленными в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», для разных значений R_р.в, i_в или Ф_δ имеют вид, показанный на рисунке 2. Все характеристики n = f(I_а) сходятся на оси абсцисс (n = 0) в общей точке при весьма большом токе I_а, который, согласно выражению (5), представленному в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», равен

Однако механические характеристики n = f(M) пересекают ось абсцисс в разных точках.

Нижняя характеристика на рисунке 2 соответствует номинальному потоку. Значения n при установившемся режиме работы соответствуют точкам пересечения рассматриваемых характеристик с кривой M_ст = f(n) для рабочей машины, соединенной с двигателем (жирная штриховая линия на рисунке 2).

Точка холостого хода двигателя (M = M, I_а = I_а0) лежит несколько правее оси ординат на рисунке 2. С увеличением скорости вращения n вследствие увеличения механических потерь M и I_а0 также увеличиваются (тонкая штриховая линия на рисунке 2).

Если в этом режиме с помощью приложенного извне момента вращения начать увеличивать скорость вращения n, то E_а [смотрите выражение (6) в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока»] будет увеличиваться, а I_а и M будут, согласно равенствам (5) и (8), представленным в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», уменьшаться. При I_а = 0 и M = 0 механические и магнитные потери двигателя покрываются за счет подводимой к валу механической мощности, а при дальнейшем увеличении скорости I_а и M изменят знак и двигатель перейдет в генераторный режим работы (участки характеристик на рисунке 2 левее оси ординат).

Двигатели общего применения допускают по условиям коммутации регулирование скорости ослаблением поля в пределах 1 : 2. Изготавливаются также двигатели с регулированием скорости таким способом в пределах до 1 : 5 или даже 1 : 8, но в этом случае для ограничения максимального напряжения между коллекторными пластинами необходимо увеличить воздушный зазор, регулировать поток по отдельным группам полюсов (смотрите статью «Регулирование скорости вращения и устойчивость работы двигателей постоянного тока») или применить компенсационную обмотку. Стоимость двигателя при этом увеличивается.

Регулирование скорости сопротивлением в цепи якоря, искусственные механическая и скоростная характеристики

Если последовательно в цепь якоря включить добавочное сопротивление R_ра (рисунок 3, а), то вместо выражений (7) и (9), представленных в статье «Общие сведения о двигателях постоянного тока», получим

(1)

(2)

Сопротивление R_ра может быть регулируемым и должно быть рассчитано на длительную работу. Цепь возбуждения должна быть включена на напряжение сети.

Рисунок 3. Схема регулирования скорости вращения двигателя параллельного возбуждения с помощью сопротивления в цепи якоря (а) и соответствующие механические и скоростные характеристики (б)

Характеристики n = f(M) и n = f(I_а) для различных значений R_ра = const при U = const и i_в = const изображены на рисунке 3, б (R_ра1 div > .uk-panel’>» data-uk-grid-margin>

Электрическая схема двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Двигатель с параллельным возбуждением является наилучшим среди двигателей постоянного тока для привода механизмов, требующих почти постоянной частоты вращения и в то же время экономичного регулирования скорости. Схема этого двигателя показана на рис. 4-25.

Рис. 4-25. Двигатель параллельного возбуждения.

Зажимы пускового реостата обозначаются: Л — присоединяемый к линии (питающей сети); М — к зажимам обмотки возбуждения и Я — к зажимам якоря. Черными кружками (рис. 4-25) обозначены рабочие контакты, а пропуски между ними соответствуют секциям сопротивлений реостата. Металлическая дуга 3 при работе двигателя постоянно соединяет зажим Л с зажимами шунтового реостата, регулирующего ток возбуждения Перед замыканием рубильника Необходимо убедиться, что рычаг (подвижный контакт) 1 пускового реостата 2 стоит на холостом контакте 0. Подвижный контакт шунтового реостата в цепи возбуждения должен находиться в крайнем левом положении, при котором сопротивление реостата минимально.

При замыкании рубильника и переводе рычага пускового реостата на первый из рабочих контактов ток двигателя разветвляется на ток якоря и ток обмотки возбуждения

Таким образом, ток в питающей цепи

где .

Первый бросок тока в зависимости от величины пускового сопротивления Под действием начального вращающего момента якорь начинает вращаться и с нарастанием скорости ток якоря уменьшается. Тогда рычаг пускового реостата, может быть переведен на второй контакт. При этом ток якоря, увеличившись броском, вызовет увеличение вращающего момента и дальнейшее приращение скорости, а затем вновь начинает уменьшаться. Тогда рычаг реостата переводят на следующий контакт и т. д. Пуск заканчивается, когда все сопротивление выведено и на якорь подано полное напряжение Сопротивление пускового реостата обычно рассчитано на кратковременную работу пуска и оставлять рукоятку реостата на промежуточных контактах длительно нельзя.

Рис. 4-26. Скоростные характеристики двигателя параллельного возбуждения.

Чем быстрее нарастает противо-э. д. с. якоря, тем скорее, уменьшается ток и тем меньше нагрев обмотки якоря. Поэтому пуск производят всегда при наибольшем токе возбуждения, замыкая, накоротко сопротивление регулировочного реостата (рис. 4-25). Тогда магнитный поток машины Ф и противо-э. д. с. будут максимальны. Кроме того, электродвигатель при пуске должен развивать повышенный вращающий, момент, а это может быть также при наибольшем магнитном потоке формула (4-8)].

Перед отключением двигателя переводят рычаг пускового реостата на нулевой контакт, а затем размыкают рубильник. Этим исключается подгорание контактов рубильника.

Скоростная характеристика двигателя при показана на рис. 4-26 кривой 1. При отсутствии механической нагрузки ток холостого хода и скорости наибольшая:

так как

При увеличении нагрузки (момента сопротивления) на валу двигателя частота вращения падает незначительно, так как автоматическое увеличение вращающего момента происходит за счет увеличения тока в цепи якоря который согласно уравнению (4-14а) резко возрастает при незначительном уменьшении противо-э. д. с. вследствие малой величины сопротивления цепи якоря Такая характеристика называется жесткой.

Рис. 4-27. Рабочце характеристики двигателя параллельного возбуждения.

При неизменном токе возбуждения магнитный поток Ф можно считать приблизительно постоянным, так как влияние реакции якоря незначительно.

Тогда вращающий момент двигателя

приблизительно пропорционален току Поэтому если отложить М по оси абсцисс на рис. 4-26, то получится механическая характеристика двигателя, т. е.

Очень удобны для пользования рабочие характеристики (рис. 4-27), даваемые в каталогах и описаниях электродвигателя. Это

при , где — к. п. д. двигателя, а — полезная мощность на валу.

Развиваемая на валу мощность двигателя

а вращающий момент

При неизменной частоте вращения зависимость была бы прямой линией, проходящей через начало координат. Однако скорость при увеличении падает и момент не пропорционален Ток при неизменном U пропорционален мощности в цепи питания Так как потери двигателя малы, то ток приблизительно пропорционален .

Регулирование скорости двигателя с параллельным возбуждением обычно производится изменением тока возбуждения. Этот способ дает экономичное плавное регулирование в пределах 1 : 1,5, а в специальном исполнении — до 1:8. Регулирование происходит следующим образом. Вращающий момент двигателя при Ф = const пропорционален току а ток

Вследствие малой величины падение напряжения в цепи якоря невелико. Поэтому при постоянных значениях U и якоря может значительно возрасти при небольшом уменьшении противо-э. д. с.

Например, при и при токе якоря противо-э. д. с. . Если противо-э. д. с. уменьшится всего на 10 В (примерно на 5%) и будет , то ток якоря , т. е. увеличится в 3 раза.

Таким образом, если при некоторой постоянной нагрузке и частоте вращения уменьшить ток возбуждения например на 5%, то. на столько же сразу уменьшатся магнитный поток Ф и противо-э. д. с. Е. Это вызовет резкое увеличение тока якоря и вращающего момента, причем избыточный момент пойдет на ускорение вращения якоря. Однако по мере нарастания скорости якоря противо-э. д. с. снова увеличится, ток якоря уменьшится до величины, при которой вращающий момент примет прежнее значение. Таким образом, при равенстве установится новая постоянная частота вращения, большая прежней.

При таком способе регулирования потери энергии в регулировочном реостате (мощность потерь Гвгв) очень малы, так как составляет всего

Этот способ позволяет изменять частоту вращения двигателя в сторону ее увеличения выше номинальной.

Если при неизменной нагрузке на валу двигателя включить добавочное сопротивление гл последовательно с обмоткой якоря, то в первый момент ток якоря уменьшится, отчего уменьшится вращающий момент и, так как момент сопротивления окажется больше, скорость уменьшится. Однако вследствие уменьшения скорости и противо-э. д. с. ток якоря станет возрастать, будет возрастать вращающий момент и при равенстве моментов дальнейшее снижение скорости прекратится.

Двигатель будет продолжать работать с постоянной, но пониженной частотой вращения. Этот способ — регулирования неэкономичен вследствие значительных потерь энергии в сопротивлении реостата.