Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учеб. Пособие для инженерно-эконом. спец. вузов

Литература

1. Морозов А.Г. Электротехника, электроника и импульсная техника: Учеб. Пособие для инженерно-эконом. спец. вузов. – М.: Высш. Шк., 1987. -448с.

2. Электротехника и электроника: Учебник для сред. проф. образования/Б.И. Петленко, Ю.М. Иньков, А.В. Крашенинников и др.; Под ред. Б.И. Петленко. – М.; Издательский центр «Академия», 2003. – 320 с.

3. Яновский В.П. Учебное пособие по дисциплине «Электроника» для студентов специальности «Информационные системы и технологии (в экологии)» /В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2008. – 126 c.

Ямный В.Е. Основы автоматизации физического эксперимента: Курс лекций/ В.Е.Ямный, В.П.Яновский. – Мн.:БГУ, 2004. – 283 с.

Яновский В.П. Сборник задач и упражнений по дисциплине «Автоматизация эксперимента» /В. П. Яновский. – Минск: МГЭУ им. А. Д. Сахарова, 2010. – 93 c

Яновский В.П. Средства разработки аппаратного и программного обеспечения современных электронных систем.

Яновский В.П. Методические указания по дисциплине «Электротехника и промышленная электроника».

8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ... 2

8.1. Общая теория электрических машин. 2

8.1.1. Назначение и классификация электрических машин. 2

8.1.2. Преобразование энергии в электрических машинах. 3

8. 1.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока. 6

8.1.4. Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока. 8

8.1.4.1. Получение вращающегося магнитного поля. 8

8.1.4.2. Принцип действия и устройство асинхронного двигателя. 12

8.1.4.3. Принцип действия и устройство синхронных машин. 13

8.2. Электрические машины постоянного тока. 14

8.2.1. Устройство электрической машины постоянного тока. 14

8.2.2. Принцип действия машины постоянного тока. 14

8.2.3. Работа электрической машины постоянного тока в режиме генератора. 15

8.2.4. Генераторы с независимым возбуждением. Характеристики генераторов. 16

8.2.5. Генераторы с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения генератора с параллельным возбуждением.. 17

8.2.6. Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя. Основные уравнения 18

8.2.7. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока. 19

8.3. Электрические машины переменного тока. 21

8.3.1. Асинхронные двигатели. Конструкция, принцип действия. 21

8.3.2. Вращающий момент асинхронного двигателя. 24

8.3.3. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. Реверсирование асинхронного двигателя. 27

8.3.4. Однофазные асинхронные двигатели. 27

8.3.5. Синхронные двигатели. Конструкция, принцип действия. 29

8.3.6. Синхронные генераторы.. 31

 

8. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

8.1. Общая теория электрических машин

8.1.1. Назначение и классификация электрических машин

Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.

Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, в которых происходит обратное преобразование, - генераторами.

Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением. В то же время электрические машины могут использоваться для преобразования рода электрического тока, например, постоянного в переменный или же преобразования величины напряжения. Кроме того, ЭМ широко используются в качестве датчиков угла, перемещения и скорости, для выполнения математических операций и усиления мощности электрических сигналов, а также для повышения коэффициента мощности электрических установок.

Помимо деления по назначению электрические машины классифицируются по принципу действия на коллекторные и бесколлекторные (рис. 10.1), отличающиеся друг от друга принципом действия и конструкцией.

 

Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе. Лишь коллекторные машины обычно небольшой мощности выполняют универсальными, работающими на постоянном и переменном токе.

Бесколлекторные машины делятся на асинхронные и синхронные (многофазные и однофазные).

Широкое распространение электрических машин привело к разработке их многочисленных конструктивных форм. Поэтому приведенная на рис. 10.1 классификация является приближенной и не отображает всего многообразия типов электрических машин.

8.1.2. Преобразование энергии в электрических машинах

При работе электрической машины в режиме генератора механическая энергия преобразуется в электрическую. Это происходит в соответствии с законом электромагнитной индукции: если внешняя сила F перемещает проводник в магнитном поле, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции В (рис. 10.2), то в проводнике будет наводиться ЭДС:

где E - ЭДС, индуктируемая в проводнике, В; В - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника (длина его части, находящейся в магнитном поле), м; V - скорость движения проводника, м/с.

Формула (10.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения ее направления следует воспользоваться правилом правой руки (рис. 2.6). Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике («от нас»). Если концы проводника замкнуть, под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

Согласно закону Ампера на проводник с током I, помещенный в магнитное поле, действует сила , направление которой определяется правилом левой руки (рис. 2.2), а значение по формуле где направление тока I, магнитной индукции и силы взаимно перпендикулярны.

В рассматриваемом случае (рис. 10.2) эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила F_эм является тормозящей по отношению к движущей силе F.

Если же внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U, в цепи возникнет ток I (рис. 10.3), и на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_эм, направление которой определяется правилом левой руки.

 

Под действием этой силы проводник начнет передвигаться в магнитном поле со скоростью V. При этом в проводнике индуцируется ЭДС, противоположная по направлению приложенному напряжению U. Таким образом, напряжение уравновешивается электродвижущей силой Е, наведенной в этом проводнике, и падением напряжения в электрической цепи:

U=E + IR,

где R - электрическое сопротивление цепи.

Электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_эмV), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²R). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Указанный процесс преобразования энергии дает возможность сделать важный вывод: необходимым условием работы электрической машины является наличие проводников и магнитного поля, имеющих возможность перемещаться друг относительно друга, т.е. электромагнитный механизм электрической машины должен содержать часть, создающую магнитное поле, и часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах чаще всего оно создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создавать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики машины

Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются; в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращается и поле, и проводники подвижной части, причем их вращение возможно либо в одну сторону, либо в разные. При этом преобразование энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Указанное свойство электрических машин называется обратимостью.

Неподвижная часть ЭМ называется статором, а подвижная (вращающаяся) - ротором.

ЭДС, индуцируемая основным полем возбуждения в перемещающихся относительно поля проводниках машины, вызывает в этих проводниках ток, величина которого зависит от нагрузки машины. Ток создает свое собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения. Такое влияние поля токов в перемещающихся проводниках на поле возбуждения называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное поле возбуждения машины может искажаться и уменьшаться по величине.

Подводимая к электрической машине за время dt энергия P₁dt преобразуется в ней в энергию P₂dt, причем Р₂ < Р₁, так как при работе машины имеются потери, связанные с процессом преобразования в ней энергии. Потери энергии, равные (Р₁ - P2)dt, полезно не используются и рассеиваются в виде теплоты, нагревая отдельные части машины.

Потери при работе электрической машины в основном складываются:

· из электрических потерь, обусловленных нагревом проводников обмоток и других проводящих контуров при протекании по ним тока (их еще называют потерями в меди);

· магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов в перемаг-ничиваемых ферромагнитных частях машины (потери в стали);

· механических потерь на трение вращающихся частей в подшипниках и о воздух (зависят от скорости ротора).

Отношение называется коэффициентом полезного действия электрической машины. Электрические машины малой и средней мощности имеют КПД, равный 0,8...0,9, доходящий в машинах большой мощности (тысячи киловатт) до 0,97...0,99.

На рис. 10.4 представлены диаграммы преобразования мощности в генераторе и двигателе. Для генератора (рис. 10.4, а)

где П_мех – мощность механических потерь; Р₁ – механическая мощность, подводимая к генератору; П_эл – мощность электрических потерь в генераторе; Р₂ – полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором.

Для двигателя (рис. 10.4, б)

где П_эл – мощность электрических потерь в двигателе; Р₁ – электрическая мощность, подводимая к двигателю; П_мех – мощность механических потерь, обусловленная вращением двигателя; Р₂ – его полезная механическая мощность.

Электрический момент, создаваемый в электрической машине в процессе преобразования энергии, в генераторе направлен против момента приводного двигателя. Чем большую электрическую мощность Р_эл развивает генератор, тем больше его противодействующий момент.

В случае электрического двигателя его электромагнитный момент М используется для совершения полезной механической работы; он преодолевает момент сопротивления М_с рабочего механизма.

8. 1.3. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока

Коллекторная машина постоянного тока является, по существу, машиной переменного тока, так как в ее перемещающейся относительно поля возбуждения обмотке – обмотке якоря – протекает переменный ток. Однако машина имеет специальное устройство – коллектор, позволяющий преобразовывать переменный ток в постоянный.

Рассмотрим работу коллекторной машины постоянного тока на примере простейшего генератора постоянного тока. Она состоит из полюсов магнита (N–S), создающих постоянный магнитный поток. Между ними с линейной скоростью V вращается рамка 1–2–3–4 с длиной стороны l (рис. 10.5).

При вращении рамки, например, против направления движения часовой стрелки в каждой ее стороне индуцируется ЭДС направление которой определяется правилом правой руки (см. рис. 10.5), а величина - формулой

Поскольку длина рамки l и скорость V - величины постоянные, величина ЭДС зависит только от распределения индукции В под полюсами, которое близко к синусоидальному. Поэтому изменение ЭДС между точками 1-4 рамки (см. рис. 10.5) также близко к синусоидальному (рис. 10.6). Таким образом, если к концам рамки 1 и 4 подключить с помощью скользящих контактов внешнюю нагрузку, в ней потечет переменный ток, имеющий форму ЭДС (см. рис. 10.6).

Чтобы заставить ток протекать по внешней цепи в каком-нибудь одном направлении, т.е. выпрямить его, используется специальное устройство - коллектор. Концы витка 1-2-3-4 присоединяются к двум изолированным медным сегментам (см. рис. 10.5). На пластины наложены неподвижные в пространстве щетки А и Б, к которым присоединяется внешняя цепь.

Нужно поставить щетки так, чтобы при вращении якоря каждая из них соприкасалась только с той коллекторной пластиной и тем из проводников рамки, которые находятся под полюсом данной полярности. Так, щетка А всегда соприкасается только с проводником, находящимся под северным полюсом (см. рис. 10.5). Следовательно, по внешней цепи ток будет протекать только в одном направлении - от щетки А к щетке Б, т.е. происходит выпрямление наводимой в витке ЭДС и тока в пульсирующие ЭДС на щетках и ток во внешней цепи (рис. 10.7).

Пульсации тока на рис. 10.7 носят резко выраженный характер. Однако эти пульсации сглаживаются, если вместо рамки использовать обмотку, состоящую из большого числа проводников, определенным образом выполненную и соединенную с коллектором. Система подвижных проводников в машине постоянного тока вместе с несущей их механической конструкцией называется якорем.

В режиме двигателя к щеткам подводится постоянный ток, который коллектором преобразуется в переменный ток обмотки якоря. Этот ток, взаимодействуя с полем возбуждения, создает электромагнитный момент, приводящий якорь в движение и совершающий максимальную работу.

Скорость перемещения проводников обмотки якоря относительно неподвижного поля возбуждения основных полюсов определяется частотой вращения якоря n (об/мин). Поэтому ЭДС обмотки якоря

где С_Е - конструктивный коэффициент, зависящий от геометрии и параметров машины и ее обмотки якоря; Ф - магнитный поток.

Исходя из рассматриваемого принципа действия, машина постоянного тока состоит из двух основных частей:неподвижной части - статора, предназначенной в основном для создания магнитного потока, и вращающейся части - якоря, в которой происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую (электрический генератор) или обратно - электрической энергии в механическую (электродвигатель).

Неподвижная и вращающаяся части отделяются друг от друга зазором.

Неподвижная часть машины постоянного тока состоит из основных полюсов, предназначенных для создания основного магнитного потока; добавочных полюсов, устанавливаемых между основным и служащих для достижения безыскровой работы щеток на коллекторе.

Якорь представляет собой цилиндрическое тело, вращающееся в пространстве между полюсами, и состоит из зубчатого сердечника якоря, уложенной на нем обмотки, коллектора и щеточного аппарата.

8.1.4. Принцип действия и устройство электрических машин переменного тока

Как и машины постоянного тока, электрические машины переменного тока состоят из статора и ротора. По способу образования магнитного поля статора и ротора машины переменного тока делятся на две группы: асинхронные и синхронные. В основе работы асинхронных и синхронных машин лежит образование вращающегося магнитного поля.

Обмотки статора обычно присоединяются к сети переменного тока и создают вращающееся магнитное поле, поэтому устройство этой части асинхронных и синхронных машин получается одинаковым.

8.1.4.1. Получение вращающегося магнитного поля.

Рассмотрение этого вопроса начнем с анализа магнитного поля катушки с синусоидальным током.

Магнитное поле катушки с синусоидальным током

Круговое вращающееся магнитное поле двух- и трехфазной обмоток

Для создания кругового вращающегося поля необходимо выполнение двух условий: · Оси катушек должны быть сдвинуты в пространстве друг относительно друга на… · Токи, питающие катушки, должны быть сдвинуты по фазе соответственно пространственному смещению катушек.

Условия самовозбуждения.

2. Согласное включение обмотки возбуждения. Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток,… 3. Сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть… На рис. 11.11 приведена характеристика холостого хода генератора E = f(Iв) (кривая 1) и вольт - амперная…