Электродвижущая сила и характеристики электродвигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Департамент образования Тульской области

Тульский технико-экономический колледж

Имени А.Г. Рогова

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Электрические машины»

на тему: «Электродвижущая сила и характеристики электродвигателей»

подготовил

студент группы 5-1”Э”

Давыдов И.Ю

Проверил:

Ананьева Л.И.

Тула 2012г.

Содержание

1. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока.

2. Двигатели смешанного возбуждения, схема, рабочие и механические характеристики.

3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения и активного сопротивления обмотки ротора.

4. Группы соединения обмоток трансформатора.

5. Задача

1. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока

Электродвижущая сила в обмотке якоря. При вращении якоря в проводниках, лежащих под полюсами N и S, индуцируются ЭДС противоположного направления. Проводники, в которых индуцируются это ЭДС, расположены

Рис. 1 Схема машины постоянного тока {а), упрощенная схема ее обмотки якоря (б) и векторная диаграмма индуцируемых в ней ЭДС (в):

1 -- обмотка якоря; 2--коллектор

по обе стороны от геометрической нейтрале О -- О -- оси симметрии, разделяющей полюсы.

Обмотка якоря выполнена в виде многофазной обмотки (Рис. 1 б), состоящей из большого числа витков, подключенных к пластинам коллектора так, чтобы между каждой парой смежных коллекторных пластин был включен один или несколько витков. На коллектор накладывают щетки А и В, посредством которых вращающаяся обмотка якоря соединяется с внешней цепью. При вращении якоря между щетками Аи В действует постоянная по величине ЭДС Е, равная сумме ЭДС, индуцированных во всех последовательно соединенных витках обмотки якоря, которые включены между щетками. машина сила электродвигатель ток трансформатор

Чтобы подать от обмотки якоря во внешнюю цепь максимальное напряжение, эту цепь нужно присоединить к двум точкам обмотки якоря, между которыми имеется наибольшая разность потенциалов. Такими точками при холостом ходе машины являются точки а и Ь (рис. 10.10,б), расположенные на геометрической нейтрале, где и следует устанавливать щетки А и В. При вращении якоря точки а и Ь смещаются с геометрической нейтрале, но к щеткам подходят новые точки обмотки, между которыми будет действовать ЭДС Е,

Рис. 2 Кривые распределения индукции В_х вдоль окружности якоря и напряжений и_к по коллектору

поэтому ЭДС во внешней цепи неизменна по величине и направлению. Уменьшения пульсаций ЭДС Е при переходе щеток с одной коллекторной пластины на другую достигают путем установки большого числа коллекторных пластин; число коллекторных пластин, приходящихся на одну параллельную ветвь обмотки якоря, должно быть не менее восьми.

Если заменить реальную несинусоидальную ЭДС, индуцируемую в витках обмотки якоря, эквивалентной синусоидальной, то значение ЭДС Е между щетками А и В можно найти из векторной диаграммы (рис. 10.10, в). При до статочно большом числе секций обмотки якоря эта ЭДС практически неизменна во времени и равна диаметру окружности, описанной вокруг многоугольника ЭДС e1, e2, e3 и ДР., индуцированных в отдельных витках этой обмотки.

Щетки А и В разделяют рассматриваемую обмотку на две параллельные ветви, в каждой из которых индуцируются ЭДС Е и проходят токи i_a. При разомкнутой внешней цепи ток по обмотке не проходит, так как ЭДС, индуцированные в двух ее ветвях, направлены встречно и взаимно компенсируются. Полная компенсация, очевидно, происходит при строго симметричном выполнении обмотки и равенстве магнитных потоков полюсов; условие симметрии в случае двухполюсной обмотки сводится к равномерному распределению проводников на внешней поверхности якоря.

Мгновенное значение ЭДС, индуцируемой в каждом активном проводнике:

e= В_х v_a1_а

где В_х -- индукция в рассматриваемой точке воздушного зазора; v_a -- окружная скорость якоря; 1_а -- длина проводника в магнитном поле.

Следовательно,

где N--общее число активных проводников обмотки якоря; N/(2a)-- число активных проводников, входящих в одну параллельную ветвь.

При достаточно большом числе коллекторных пластин можно пренебречь пульсацией ЭДС и считать, что

где В_ср-- среднее значение индукции в пределах полюсного деления ф = рD_б1(2с).

Учитывая, что В_ср1_аф = Ф и v_a =рD_an / 60 = 2фсn / 60, получаем

E=[pN/(60a)] nФ= c_e nФ

где c_e=pN/(60a) -- коэффициент, определяемый конструктив ными параметрами машины и не зависящий от режима ее работы.

По формуле (10.4) определяют среднее значение ЭДС. Мгновенное ее значение находится (пульсирует) между значе ниями Е_тах и E_min. При вращении якоря часть витков, замы каясь накоротко щетками, выключается из параллельных вет вей, и за время поворота якоря на угол, соответствующий одной коллекторной пластине, сумма мгновенных значений ЭДС успевает несколько измениться. Максимальное значение возникающих при этом пульсаций ДE=0,5 (E_max -- E_min) зави сит от числа коллекторных пластин К:

К ...................... 2 4 8 10 20 40

ДE, % .............. 100 17,2 4 2,5 0,62 0,16

Значения ДЕ приведены в процентах от теоретического среднего значения ЭДС Е. Период пульсаций равен времени поворота якоря на одну коллекторную пластину, вследствие чего их частота в К/сраз больше частоты f_а, с которой изменяется ЭДС, индуцированная в проводниках обмотки якоря.

Напряжение между соседними коллекторными пластинами. Если пренебречь падением напряжения в витках, то напряжение и_к между соседними коллекторными пластинами будет равно сумме ЭДС, индуцируемых во включенных между ними витках обмотки якоря. Например, для обмотки, состоящей из одновитковых секций (рис. 10.11, а), напряжение и_к = 2е. Из (10.1) следует, что ЭДС е пропорциональна индукции В_х в соответствующей точке воздушного зазора, поэтому кривая распределения по окружности коллектора напряжений и_к между соседними пластинами подобна кривой распределения индукции B_x = f(x)в воздушном зазоре (рис. 10.11,б).

Рис. 3 Кривая распределения индукции В_х вдоль окружности якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали

При холостом ходе машины значение ЭДС Е максимальное при установке щеток Л и В на геометрической нейтрали. Если смещаются щетки с геометрической нейтрали на некоторый угол б (Рис.3), то часть окружности якоря, соответствующая углу а, находится в зоне с индукцией -- В_х, созданной полюсом противоположной полярности. При этом уменьшается результирующая ЭДС Е и напряжение Uмежду щетками А и В, так как в проводниках якоря, расположенных в указанной зоне, индуцируются ЭДС, противоположные по направлению ЭДС, индуцируемые в остальных проводниках. Если принять распределение магнитной индукции в воздушном зазоре синусоидальным, то Е=с_епФсоsб..

Электромагнитный момент. На якорь, по обмотке которого проходит ток Й_б, действует электромагнитный момент

M=0,5F_pe3 D_e

где F_pe3 -- результирующая электромагнитная сила, возникающая при взаимодействии тока с магнитным полем.

Сила F_рез представляет собой сумму усилий f_я, приложенных ко всем активным проводникам обмотки якоря. При достаточно большом числе коллекторных пластин силу F_pe3 можно считать постоянной:

где i_a -- ток в одной параллельной ветви. С учетом значения В_ср электромагнитный момент

где c_M=pN/(2рa) = 60c_e/(2р)-- коэффициент, зависящий от конструктивных параметров машины. При работе машины в двигательном режиме электромагнитный момент является вращающим, а в генераторном режиме -- тормозным.

2. Двигатели смешанного возбуждения, схема, рабочие и механические характеристик

Этот двигатель имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную.

Рис. 1 Двигатель смешенного возбуждения

Частота вращения определяется формулой

Знак «плюс» соответствует согласному включению обмоток возбуждения (потоки складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток увеличивается (за счет потока последовательной обмотки Ф₂), что ведет к уменьшению частоты вращения двигателя.

Знак «минус» соответствует встречному включению обмоток возбуждения, при этом поток последовательной обмотки Ф₂ размагничивает машину, что, наоборот, повышает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно растет. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной.

Рассмотрим характеристики ДПТ последовательного возбуждения при согласном включении обмоток.

1) Рабочие характеристики n=f(I), М=f(I)

Рис. 2 Рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласном включении обмоток возбуждения

2) Механическая характеристика n=f(M)

Рис. 3 Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения

Скоростная и механическая характеристики этого двигателя более жесткие, чем у двигателя последовательного возбуждения, но менее жесткие, чем у двигателя параллельного возбуждения.

Эти двигатели могут работать в режиме х.х., так как поток параллельной обмотки Ф₁ ограничивает частоту вращения n и устраняет опасность «разноса».

Регулировать частоту вращения можно реостатом r_рг в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения удорожает и усложняет машину.

3. Механические характеристики асинхронного двигателя при изменении напряжения и активного сопротивления обмотки ротора

Механическая характеристика. Зависимость частоты вращения ротора от нагрузки (вращающегося момента на валу) называется механической характеристикой асинхронного двигателя (рис. 262, а). При номинальной нагрузке частота вращения для различных двигателей обычно составляет 98--92,5 % частоты вращения n₁ (скольжение s_ном = 2 - 7,5 %). Чем больше нагрузка, т. е. вращающий момент, который должен развивать двигатель, тем меньше частота вращения ротора. Как показывает кривая

Рис.1 Механические характеристики асинхронного двигателя: а -- естественная; б -- при включении пускового реостата

на рис. 262, а, частота вращения асинхронного двигателя лишь незначительно снижается при увеличении нагрузки в диапазоне от нуля до наибольшего ее значения. Поэтому говорят, что такой двигатель обладает жесткой механической характеристикой.

Наибольший вращающий момент M_max двигатель развивает при некоторое скольжении s_kp, составляющем 10--20%. Отношение M_max/M_ном определяет перегрузочную способность двигателя, а отношение М_п/М_ном -- его пусковые свойства.

Двигатель может устойчиво работать только при обеспечении саморегулирования, т. е. автоматическом установлении равновесия между приложенным к валу моментом нагрузки М_вн и моментом М, развиваемым двигателем. Этому условию соответствует верхняя часть характеристики до достижения M_max (до точки В). Если нагрузочный момент М_вн превысит момент M_max, то двигатель теряет устойчивость и останавливается, при этом по обмоткам машины будет длительно проходить ток в 5--7 раз больше номинального, и они могут сгореть.

При включении в цепь обмоток ротора пускового реостата получаем семейство механических характеристик (рис. 262,б). Характеристика 1 при работе двигателя без пускового реостата называется естественной. Характеристики 2, 3 и 4, получаемые при подключении к обмотке ротора двигателя реостата с сопротивлениями R_1п (кривая 2), R_2п (кривая 3) и R_3п (кривая 4), называют реостатными механическими характеристиками. При включении пускового реостата механическая характеристика становится более мягкой (более крутопадающей), так как увеличивается активное сопротивление цепи ротора R₂ и возрастает s_кp. При этом уменьшается пусковой ток. Пусковой момент М_п также зависит от R₂. Можно так подобрать сопротивление реостата, чтобы пусковой момент М_п был равен наибольшему М_max.

В двигателе с повышенным пусковым моментом естественная механическая характеристика приближается по своей форме к характеристике двигателя с включенным пусковым реостатом. Вращающий момент двигателя с двойной беличьей клеткой равен сумме двух моментов, создаваемых рабочей и пусковой клетками. Поэтому характеристику 1 (рис. 263) можно получить путем суммирования характеристик 2 и 3, создаваемых этими клетками. Пусковой момент М_п такого двигателя значительно больше, чем момент М'_п обычного короткозамкнутого двигателя. Механическая характеристика двигателя с глубокими пазами такая же, как и у двигателя с двойной беличьей клеткой.

Рабочие характеристики. Рабочими характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости частоты вращения n (или скольжения s), момента на валу М₂, тока статора I₁коэффициента полезного действия ? и cos?₁, от полезной мощности Р₂ = Р_mx при номинальных значениях напряжения U₁ и частоты f₁ (рис. 264). Они строятся только для зоны практической устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10--20%. Частота вращения n с ростом отдаваемой мощности Р₂ изменяется мало, так же как и в механической характеристике; вращающий момент на валу М₂ пропорционален мощности Р₂, он меньше электромагнитного момента М на значение тормозящего момента М_тр, создаваемого силами трения.

Ток статора I₁, возрастает с увеличением отдаваемой мощности, но при Р₂ = 0 имеется некоторый ток холостого хода I₀. К. п. д. изменяется примерно так же, как и в трансформаторе, сохраняя достаточно большое значение в сравнительно широком диапазоне нагрузки.

Наибольшее значение к. п. д. для асинхронных двигателей средней и большой мощности составляет 0,75--0,95 (машины большой мощности имеют соответственно больший к. п. д.). Коэффициент мощности cos?₁ асинхронных двигателей средней и большой мощности при полной нагрузке равен 0,7--0,9. Следовательно, они загружают электрические станции и сети значительными реактивными токами (от 70 до 40% номинального тока), что является существенным недостатком этих двигателей.

Рис. 2 Механическая характеристика асинхронного двигателя с повышенным пусковым моментом (с двойной беличьей клеткой)

Рис. 3 Рабочие характеристики асинхронного двигателя

При нагрузках 25--50 % номинальной, которые часто встречаются при эксплуатации различных механизмов, коэффициент мощности уменьшается до неудовлетворительных с энергетической точки зрения значений (0,5--0,75).

При снятии нагрузки с двигателя коэффициент мощности уменьшается до значений 0,25--0,3, поэтому нельзя допускать работу асинхронных двигателей при холостом ходе и значительных недогрузках.

Работа при пониженном напряжении и обрыве одной из фаз.

Понижение напряжения сети не оказывает существенного влияния на частоту вращения ротора асинхронного двигателя. Однако в этом случае сильно уменьшается наибольший вращающий момент, который может развить асинхронный двигатель (при понижении напряжения на 30% он уменьшается примерно в 2 раза). Поэтому при значительном падении напряжения двигатель может остановиться, а при низком напряжении -- не включиться в работу.

На э. п. с. переменного тока при уменьшении напряжения в контактной сети соответственно уменьшается и напряжение в трехфазной сети, от которой питаются асинхронные двигатели, приводящие во вращение вспомогательные машины (вентиляторы, компрессоры, насосы). Для того чтобы обеспечить нормальную работу асинхронных двигателей при пониженном напряжении (они должны нормально работать при уменьшении напряжения до 0,75U_ном), мощность всех двигателей вспомогательных машин на э. п. с. берется примерно в 1,5--1,6 раза большей, чем это необходимо для привода их при номинальном напряжении. Такой запас по мощности необходим также из-за некоторой несимметрии фазных напряжений, так как на э. п. с. асинхронные двигатели питаются не от трехфазного генератора, а от расщепителя фаз. При несимметрии напряжений фазные токи двигателя будут неодинаковы и сдвиг между ними по фазе не будет равен 120°. В результате по одной из фаз будет протекать больший ток, вызывающий увеличенный нагрев обмоток данной фазы. Это заставляет ограничивать нагрузку двигателя по сравнению с работой его при симметричном напряжении. Кроме того, при несимметрии напряжений возникает не круговое, а эллиптическое вращающееся магнитное поле и несколько изменяется форма механической характеристики двигателя. При этом уменьшаются его наибольший и пусковой моменты. Несимметрию напряжений характеризуют коэффициентом несимметрии, который равен среднему относительному (в процентах) отклонению напряжений в отдельных фазах от среднего (симметричного) напряжения. Систему трехфазных напряжений принято считать практически симметричной, если этот коэффициент меньше 5 %.

При обрыве одной из фаз двигатель продолжает работать, но по неповрежденным фазам будут протекать повышенные токи, вызывающие увеличенный нагрев обмоток; такой режим не должен допускаться. Пуск двигателя с оборванной фазой невозможен, так как при этом не создается вращающееся магнитное поле, вследствие чего ротор двигателя не будет вращаться.

Использование асинхронных двигателей для привода вспомогательных машин э.п.с. обеспечивает значительные преимущества по сравнению с двигателями постоянного тока. При уменьшении напряжения в контактной сети частота вращения асинхронных двигателей, а следовательно, и подача компрессоров, вентиляторов, насосов практически не изменяются. В двигателях же постоянного тока частота вращения пропорциональна питающему напряжению, поэтому подача этих машин существенно уменьшается.

4. Группы соединения обмоток трансформатора

Понятия о схемах и группах соединения обмоток трехфазных трансформаторов имеют важное значение при эксплуатации. Фазные обмотки трехфазных трансформаторов могут быть соединены в схемы "звезда" (условное обозначение У) или "треугольник" (Д) или "зигзаг" (Z). В схемах соединений "звезда" и "зигзаг" можно вывести нейтральную точку (У_н, Z_н). В зависимости от схемы соединения обмоток и порядка соединения их начал и концов (направление намотки обмоток предполагается одинаковым) получаются различные группы соединения обмоток.

Группа соединения обмоток трансформатора определяется углом сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС (например, E_AB и E_ab или E_BA и E_ba) обмоток высшего и низшего напряжений.

Для обозначения группы (и соответственно угла сдвига) векторы линейных ЭДС уподобляют стрелкам часового циферблата. Вектор линейной ЭДС обмотки BН совмещают с минутной стрелкой часов и устанавливают неподвижно против цифры 12 (0). Вектор линейной ЭДС обмотки НН, совмещают с часовой стрелкой, и устанавливают против той цифры часового циферблата, которая определяет номер группы соединения, причем угол между стрелками равен углу сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС. Возможно получение следующих групп соединения обмоток трехфазных трансформаторов: 0-я, 1-я, 2-я, … и 11-я группы. Этим группам соответствуют углы сдвига между векторами одноименных линейных ЭДС обмоток ВН и НН: 0°, 30°, 60°, и 330°.

ГОСТ 11677-85 предусматривает изготовление трехфазных двухобмоточных трансформаторов имеющих следующие схемы и группы соединения обмоток: У/У_н-0, У/Д-11, У_н/Д-11, У/Z_н-11, Д/У_н-11, Д/Д-0. При этом первым обозначено соединение обмотки ВН, вторым - соединение обмотки НН. Однофазные двухобмоточные трансформаторы изготовляются со схемой и группой соединения 1/1-0 .

На рис.1 приведена схема соединения обмоток трехфазных трансформаторов и векторные диаграммы ЭДС, которые соответствуют следующим схемам и группам соединения обмоток: У/У-0, У/У-4, У/Д-11, У/Д-5, Д/Д-0, Д /У -11 и У/ Z -11.

Для маркировки выводов обмотки НН согласно заданным схеме и группе соединения обмоток необходимо:

1) вычертить заданную схему соединения обмоток ВН и НН и произвольно промаркировать выводы обмотки ВН;

2) построить векторные диаграммы линейных и фазных ЭДС обмоток ВН и НН (см. например, рис.1и рис.3);

3) анализировать угол сдвига между векторами фазных ЭДС обмоток ВН и НН;

4) промаркировать выводы обмотки НН с учетом того факта, что на одном стержне магнитопровода могут быть расположены только те фазные обмотки НН и ВН, которым соответствуют векторы фазных ЭДС этих обмоток совпадающие по фазе или находящиеся в противофазе.

Рис.1 Рис.2

Трёхфазный трансформатор со Трёхфазный трансформатор со схемой и группой соединений У/У-0 схемой и группой соединений У/У-4

Рис.3 Рис.4

Трёхфазный трансформатор со Трёхфазный трансформатор со схемой и группой соединений У/Д-11 схемой и группой соединений У/Д-5

Рис.5 Рис.6

Трёхфазный трансформатор со Трёхфазный трансформатор со схемой и группой соединений Д/Д-0 схемой и группой соединений Д/У-11

Рис.3 Трёхфазный трансформатор со схемой и группой соединений У/Z-11

5. ЗАДАЧА

Условия задачи: Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением потребляет ток Iном при напряжении Uном. Сопротивление: обмотки якоря rа, обмотки возбуждения rв. Магнитный поток полюса ф; на якоре уложено N проводников, образующих, а пар параллельных ветвей. Число пар двигателя равно р. Начертить схему двигателя и определить: ток в обмотке якоря-Iа и возбуждения-Iв; ЭДС обмотки якоря-Еа; частоту вращения якоря-nном; электромагнитный вращающий момент-Мэм; электромагнитную мощность-Рэм.

Uном=220 В, Iном=35.7 А, rа=0,376 Ом, rв=250 Ом, ф=7.1*10 Оі Вб,

Размещено на Allbest.ru