Виды коммутации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Почему коэффициент трансформации можно определить отношением напряжений обеих обмоток именно в режиме холостого хода? Начертите и поясните построение векторной диаграммы трансформатора в этом режиме

2. Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока? Какой из способов наиболее экономичен?

3. Сущность процесса коммутации в машинах постоянного тока. Виды коммутации

4. Задачи

Литература

1. Почему коэффициент трансформации можно определить отношением напряжений обеих обмоток именно в режиме холостого хода? Начертите и поясните построение векторной диаграммы трансформатора в этом режиме

Коэффициентом трансформации (К) называется отношение напряжения обмотки ВН к напряжению обмотки НН при холостом ходе трансформатора:

Для трехобмоточных трансформаторов коэффициентом трансформации является отношение напряжений обмоток ВН/СН, ВН/НН и СН/НН.

Значение коэффициента трансформации позволяет проверить правильное число витков обмоток трансформатора, поэтому его определяют на всех ответвлениях обмоток и для всех фаз. Эти измерения, кроме проверки самого коэффициента трансформации, дают возможность проверить правильность установки переключателя напряжения на соответствующих ступенях, а также целость обмоток.

Если трансформатор монтируется без вскрытия и при этом ряд ответвлений, недоступен для измерений, определение коэффициента трансформации производится только для доступных ответвлений.

При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток, причем измерения рекомендуется проводить на тех обмотках, для которых напряжение короткого замыкания наименьшее.

В паспорте каждого трансформатора даются номинальные напряжения обеих обмоток, относящиеся к режиму холостого хода. Поэтому номинальный коэффициент трансформации можно легко определить по их отношению.

Измеренный коэффициент трансформации на всех ступенях переключателя ответвлений не должен отличаться более чем на 2 % от коэффициента трансформации на том же ответвлении на других фазах или от паспортных данных, или от данных предыдущих измерений. В случае более значительного отклонения должна быть выяснена его причина. При отсутствии виткового замыкания трансформатор может быть введен в работу.

Коэффициент трансформации определяют следующими методами:

а) двух вольтметров;

б) моста переменного тока;

в) постоянного тока;

г) образцового (стандартного) трансформатора и др.

Коэффициент трансформации рекомендуется определять методом двух вольтметров (рис. 1).

Принципиальная схема для определения коэффициента трансформации методом двух вольтметров для однофазных трансформаторов дана на рис. 1,а. Напряжение, подводимое к двум обмоткам трансформатора, одновременно измеряют двумя разными вольтметрами.

При испытании трехфазных трансформаторов одновременно измеряют линейные напряжения, соответствующие одноименным зажимам обеих проверяемых обмоток. Подводимое напряжение не должно превышать номинального напряжения трансформатора и быть чрезмерно малым, чтобы на результаты измерений не могли повлиять ошибки вследствие потери напряжения в обмотках от тока холостого хода и тока, обусловленного присоединением измерительного прибора к зажимам вторичной обмотки.



Рис. 1 Метод двух вольтметров для определения коэффициентов трансформации: а - для двухобмоточных и б - трехобмоточных трансформаторов

Подводимое напряжение должно быть от одного (для трансформаторов большой мощности) до нескольких десятков процентов номинального напряжения (для трансформаторов небольшой мощности), если испытания проводятся с целью проверки паспортных данных трансформаторов.

В большинстве случаев к трансформатору подводят напряжение от сети 380 В. В случае необходимости вольтметр присоединяется через трансформатор напряжения или включается с добавочным сопротивлением. Классы точности измерительных приборов - 0,2-0,5. Допускается присоединять вольтметр V1 к питающим проводам, а не к вводам трансформатора, если это не отразится на точности измерений из-за падения напряжения в питающих проводах.

При испытании трехфазных трансформаторов симметричное трехфазное напряжение подводят к одной обмотке и одновременно измеряют линейные напряжения на линейных зажимах первичной и вторичной обмоток.

При измерении фазных напряжений допускается определение коэффициента трансформации по фазным напряжениям соответствующих фаз. При этом проверку коэффициента трансформации производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Если коэффициент трансформации был определен на заводе-изготовителе, то при монтаже целесообразно измерять те же напряжения. При отсутствии симметричного трехфазного напряжения коэффициент трансформации трехфазных трансформаторов, имеющих схему соединения обмоток Д/У или У/Д, можно определить при помощи фазных напряжений с поочередным закорачиванием фаз.

Для этого одну фазу обмотки (например, фазу А), соединенную в треугольник, закорачивают соединением двух соответствующих линейных зажимов данной обмотки. Затем при однофазном возбуждении определяют коэффициент трансформации оставшейся свободной пары фаз, который при данном методе должен быть равным 2 Kф для системы Д/У при питании со стороны звезды (рис. 2) или Kф/2 для схемы У/Д при питании со стороны треугольника, где Kф - фазный коэффициент трансформации (рис. 3).

Рис. 2 Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме Д/У, при несимметричном трехфазном напряжении: а - первое; б - второе и в - третье измерения

Аналогичным образом производят измерения при накоротко замкнутых фазах В и С. При испытании трехобмоточных трансформаторов коэффициент трансформации достаточно проверить для двух пар обмоток (см. рис. 1,б).

Если у трансформатора выведена нейтраль и доступны все начала и концы обмоток, то определение коэффициента трансформации можно производить для фазных напряжений. Проверку коэффициента трансформации по фазным напряжениям производят при однофазном или трехфазном возбуждении трансформатора.

Для трансформаторов с РПН разница коэффициента трансформации не должна превышать значения ступени регулирования. Коэффициент трансформации при приемосдаточных испытаниях определяется дважды - первый раз до монтажа, если паспортные данные отсутствуют или вызывают сомнения, и второй раз непосредственно перед вводом в эксплуатацию при снятии характеристики холостого хода.

Рис. 3 Определение коэффициентов трансформации трансформатора, соединенного по схеме У/Д, при несимметричном трехфазном напряжении: а - первое; б - второе и в - третье измерения



Рис. 4 Принципиальная схема универсального прибора типа УИКТ-3

Для ускорения измерения коэффициента трансформации применяется универсальный прибор типа УИКТ-3, которым можно измерить коэффициенты трансформации силовых и измерительных трансформаторов тока и напряжения без применения постороннего источника переменного тока. Одновременно с измерением коэффициента трансформации определяется полярность первичной и вторичной обмоток. Погрешность в измерении не должна превышать 0,5 % измеряемой величины.

Принцип работы прибора основан на сравнении напряжений, индуктируемых во вторичной и первичной обмотках трансформатора, с падением напряжения на известных сопротивлениях (рис. 4). Сравнение производится по мостовой схеме.

2. Способы регулирования скорости двигателей постоянного тока? Какой из способов наиболее экономичен?

Способы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока следуют из соотношений' (1) и (2). Возможны три способа регулирования скорости вращения.

(1)

(2)

1. Наиболее удобным, распространенным и экономичным является способ регулирования скорости путем изменения потока Ф6, т. е. тока возбуждения tB.

С уменьшением Фа, согласно выражению (1), скорость возрастает. Двигатели рассчитываются для работы при номинальном режиме с наибольшим значением Фе, т. е. с наименьшей величиной п. Поэтому практически можно только уменьшать Ф^.

Следовательно, рассматриваемый способ позволяет регулировать скорость вверх от номинальной. При таком регулировании к. п. д. двигателя остается высоким, так как мощность возбуждения мала, в частности мала мощность реостатов для регулирования тока возбуждения. К тому же при уменьшении iB мощность возбуждения Шв уменьшается.

Верхний предел регулирования скорости вращения ограничивается механической прочностью машины и условиями ее коммутации.

При высоких скоростях коммутация ухудшается вследствие увеличения вибрации щеточного аппарата, неустойчивости щеточного контакта и возрастания реактивной э. д. с, а также вследствие увеличения максимального напряжения между коллекторными пластинами в результате ослабления основного поля и усиления при этом искажающего влияния поперечной реакции якоря .

Для увеличения диапазона регулирования п посредством ослабления поля в машинах малой и средней мощности с волновой обмоткой якоря иногда применяют раздельное питание катушек возбуждения отдельных полюсов. При этом в одной группе полюсов сохраняют iB = const и большой поток со значительным насыщением участков магнитной цепи, а в другой группе полюсов tB и поток уменьшают. Искажающее влияние поперечной реакции якоря под первой группой полюсов в этом случае будет проявляться значительно слабее. Так как в волновой обмотке напряжение между соседними коллекторными пластинами складывается из э. д. с. р секций, расположенных под всеми полюсами, то в результате такого регулирования потока полюсов распределение напряжения между пластинами будет более равномерным.

2. Другой способ регулирования скорости заключается во включении последовательно в цепь якоря реостата или регулируемого сопротивления Rpa,

Вместо выражения (1) при этом имеем

т. е. в реостате будет теряться 47,5% приложенного напряжения и столько же мощности, подводимой к цепи якоря. По этой причине данный способ применяется в основном для двигателей небольшой мощности, а для более мощных двигателей используется редко и только кратковременно (пуско-наладочные режимы и т. д.).

3. Регулирование скорости осуществляется также путем регулирования напряжения цепи якоря. Так как работа двигателя при U > UH недопустима, то данный способ, согласно выражениям (1) и (2), дает возможность регулировать скорость также вниз от номинальной. К. п. д. двигателя при этом остается высоким, так как никаких добавочных, источников потерь в схему двигателя не вносится.

Однако в этом случае необходим отдельный источник тока с регулируемым напряжением, что удорожает установку.

(3)

(4)

Отметим, что регулирование скорости путем изменения 1а невозможно, хотя такая возможность на первый взгляд вытекает' из равенства .(1). Дело в том, что, согласно равенству (3), двигатель при каждой скорости вращения должен развивать определенный момент М, равный моменту сопротивления приводимого механизма М„ при данном значении п. Но при этом в соответствии с выражением (4) при данном значении Ф6 величина 1а в двигателе будет при каждом значении М тоже вполне определенной.

Различные способы регулирования п более конкретно, применительно к двигателям с различными способами возбуждения; рассматриваются в последующих параграфах.

3. Сущность процесса коммутации в машинах постоянного тока. Виды коммутации

Процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую называют коммутацией. В более широком смысле под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то это значит, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Качество коммутации (интенсивность искрения) в значительной степени определяет работоспособность машины и ее надежность в эксплуатации.

Искрение может вызываться большим количеством причин, которые обычно разбивают на две группы -- механические и электромагнитные.

К механическим причинам относятся: биение коллектора, его эллиптичность, шероховатость рабочей поверхности коллектора, наличие выступающих коллекторных пластин и изоляционных прокладок, вибрация щеткодержателей и т. п. Эти причины приводят к вибрации щеток, в связи с чем возможен кратковременный разрыв контакта между щеткой и коллекторными пластинами и возникновение кратковременной электрической дуги. Особенно трудно обеспечить устойчивую работу щеток при больших окружных скоростях коллектора -- примерно 50 м/с и выше, что связано с особыми свойствами щеточного контакта.

Электромагнитные причины приводят к тому, что даже в случае идеального состояния щеточного контакта при выходе коллекторной пластины из-под щетки происходит разрыв электрической цепи, по которой проходит ток, и возникает короткая электрическая дуга, повреждающая сбегающие части щетки и коллекторных пластин. Искрение, вызванное электромагнитными причинами, повреждает поверхность коллектора и приводит к вибрации щеток, т. е. способствует возникновению искрения по механическим причинам. Неустойчивость щеточного контакта, обусловленная механическими причинами, существенно влияет на электромагнитные процессы, происходящие в коммутируемых секциях. Поэтому, как правило, искрение щеток на коллекторе является результатом совместного действия многих причин.

Затраты на ремонт и эксплуатацию коллекторных машин (замену щеток, проточку коллекторов, устранение последствий кругового огня и т. п.) очень велики, и в некоторых машинах за один год составляют около 1/3 стоимости машины. Поэтому мероприятия, проводимые по уменьшению интенсивности искрения щеток, могут дать существенный технико-экономический эффект.

Качество коммутации оценивается степенью искрения (классом коммутации) под сбегающим краем щетки, из-под которого выходят пластины коллектора при его вращении. Степени искрения и их характеристики согласно ГОСТу приведены в табл. 8.1.

Степень искрения	Характеристика степени искрения	Состояние коллектора и щеток
1	Отсутствие искрения (темная коммутация)	-
11/4	Слабое точечное искрение под небольшой частью щетки	Отсутствие почернения на коллекторе и нагара на щетках
11/2	Слабое искрение под большей частью щетки	Появление следов почернения на коллекторе, легко устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
2	Искрение под всем краем щетки. Допускается только при кратковременных толчках нагрузки и перегрузках	Появление следов почернения на коллекторе, не устраняемых протиранием поверхности коллектора бензином, а также следов нагара на щетках
3	Значительное искрение под всем краем щетки с наличием крупных вылетающих искр. Допускается только для моментов прямого (без реостатных ступеней) включения или реверсирования машин, если при этом коллектор и щетки остаются в состоянии, пригодном для дальнейшей работы	Значительное почернение на коллекторе, не устраняемое протиранием коллектора бензином, а также подгар и разрушение щеток

Как видно из табл. 8.1, при длительной работе машины допускается слабое искрение под щетками. Однако требования ГОСТа проверяются только при контроле качества коммутации электрических машин, выпускаемых с завода. В эксплуатации может наблюдаться искрение значительно большей интенсивности, поскольку машина работает в форсированных режимах (при перегрузках или повышенной частоте вращения). Повышенное искрение щеток могут вызывать и другие особенности эксплуатации: вибрация и удары машины, работа на высоте более 1000 м над уровнем моря, работа в запыленных. помещениях или в агрессивной среде и т. п. Поэтому технические требования, предъявляемые к разработке машин постоянного тока, должны учитывать условия их будущей эксплуатации.

Основное уравнение коммутации. При вращении якоря секции его обмотки переходят из одной параллельной ветви в другую, вследствие чего направление тока в них изменяется (рис. 5). Большую часть времени ток секции равен току параллельной ветви ia = Ia /(2a). Изменение направления тока в секции происходит за время Тк , в течение которого соединенные с секцией коллекторные пластины соприкасаются со щеткой. Это время, в течение которого секция оказывается замкнутой накоротко щеткой, называют периодом коммутации, а секции, в которых изменяется ток,-- коммутируемыми. Период коммутации

Тк = bщ /vк ,

где bщ -- ширина щетки; vк -- окружная скорость коллектора.

Рис. 5 Схема распределения тока в параллельных ветвях обмотки якоря (а) и график изменения тока в секции (б)

В современных машинах Тк = 0,001 ч 0,0001 с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)cp = 2ia /Тк очень велика. Следовательно, в секции может индуцироваться большая ЭДС само- и взаимоиндукции, называемая реактивной ЭДС,

ер = -Lрез di /dt,

где Lрез - результирующая индуктивность секции, определяющая значение реактивной ЭДС. Название реактивная обусловлено тем, что, согласно правилу Ленца, эта ЭДС препятствует изменению тока -- замедляет его. Кроме реактивной ЭДС в коммутируемой секции индуцируется также ЭДС вращения ек , создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:

ек = 2Вк la va wc ,

где Вк -индукция в воздушном зазоре в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция Вк может создаваться МДС главных полюсов, МДС реакции якоря, а также МДС добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока для улучшения процесса коммутации.

Коммутация при ширине щетки, равной ширине коллекторной пластины. В первом приближении можно пренебречь различием в падениях напряжения под набегающим и сбегающим краями щеток и положить i1R1 - i2R2 = 0, так как при удовлетворительной коммутации указанная разность не превышает 0,5 В, в то время как обычно ек > 3 ч 4 В, а в отдельных случаях достигает 8 - 10 В. При таком допущении основное уравнение коммутации принимает вид

ер + ек = 0. (8)

Подставляя в него значение реактивной ЭДС ер = - Lрез di/dt и решая его относительно i, получаем

Следовательно, величина и характер изменения тока i в коммутируемой секции в основном определяются коммутирующей ЭДС.Условием безыскровой коммутации является выход сбегающей коллекторной пластины из-под щетки без разрыва тока, для чего необходимо, чтобы

i1t = Тк = 0 или it = Tк = - iа . Согласно теореме о среднем из (9) имеем (9а)

it = Tк = (ек.ср /Lрез )Тк + С.

Постоянную интегрирования С найдем из начальных условий. Так как в начальный момент коммутации при t = 0 ток it = 0 = iа , то согласно (9) получим С = iа . Положив it = Tк = - iа , найдем условие безыскровой коммутации:

it = Tк = - iа = ia + (ек.ср /Lрез )Тк , (10)

откуда

ек.ср = - (2iа /Тк )Lрез = - ер.ср .

Таким образом, чтобы осуществить безыскровую коммутацию, необходимо в процессе коммутации скомпенсировать. среднее значение реактивной ЭДС. Если внешнее поле сделать постоянным, т. е. ек = ек.ср , то (из 9) и имеется так называемая идеальная прямолинейная коммутация.

i = ia + (ек.ср /Lрез ) t = ia - (2iа /Тк ) t = ia (1 - 2t /Тк ) (12)

При идеальной прямолинейной коммутации (рис. 6) ток, проходящий через сбегающий край щетки, линейно уменьшается и в момент времени t = Тк становится равным нулю, т. е. выход коллекторной пластины из-под щетки происходит без разрыва тока.

Рис. 6 График изменения тока в коммутируемой секции при идеальной прямолинейной

Рассмотрим более подробно этот важный для практики случай коммутации. При идеальной прямолинейной коммутации плотность тока под щеткой в местах соприкосновения ее с пластинами 1 и 2 (рис. 6) остается все время постоянной и равной среднему значению: Дщ1 = Дщ2 = 2iа /sщ = const. Так, например, в месте контакта щетки с коллекторной пластиной 1

Дщ1 = i1/s1 = 2iа (1 - t/Тк )/[sщ (1 - t/Тк )] = 2ia /sщ = const. (13)

Аналогично, для коллекторной пластины 2

Дщ2 = i2/s2 = (2iа t/Тк )/(sщt/Тк ) = 2ia /sщ = const (13а)

Непосредственно плотность тока мало влияет на интенсивность искрения, однако равномерное распределение тока под щеткой способствует уменьшению потерь в щеточном контакте и поэтому считается положительным фактором.

Общий случай коммутации при ширине щетки, большей коллекторного деления и нескольких проводниках, лежащих в пазу. В общем случае, когда щетка 1 перекрывает несколько коллекторных пластин (рис. 7, а), изменение тока происходит одновременно в нескольких секциях 2, лежащих в одном или нескольких пазах. На рис. 7, б изображена диаграмма коммутации секций одного паза для обмотки, показанной на рис. 7, а. Прямоугольники 3, 4, 5 и 6 показывают распределение во времени индуктивностей Lc секций, которые приняты равными их взаимоиндуктивностям Мс. Ширина каждого прямоугольника равна периоду коммутации

Тк = bш /vк = 60г/(Кп ) = грDa /(Kva ), (14)

где г = bш /bк -- коэффициент щеточного перекрытия (число коллекторных пластин, перекрываемых щеткой); bк = рDк /K -- коллекторное деление -- расстояние между серединами соседних коллекторных пластин.

Изменение токов i1, i2, i3 и i4 в рассматриваемых секциях происходит со сдвигом во времени

tк = bк /vк = 60/(Kn ) = рDa /(Kva ). (15)

Время коммутации всех uп секций, лежащих в каждом слое паза, при диаметральном шаге обмотки якоря

Тп = Тк + (ип - 1)tк = (г + ип - 1)tк = (рDa / Kva) (г + ип - 1). (16)



Рис. 7 Коммутация при перекрытии щеткой нескольких коллекторных пластин (а) и диаграмма коммутации секции одного паза (б)

Рис. 8 Положение коммутационной зоны (а) и магнитные потоки, создаваемые в ней коммутируемыми секциями (б)

Коммутация секций происходит в зоне коммутации, т. е. по дуге окружности якоря, в пределах которой перемещаются стороны секций, лежащие в пазах, во время коммутации. Ширину этой зоны bз.к (рис. 8, а) можно получить, если умножить время Тп на окружную скорость якоря va :

bз.к = Тп va = рDa (г + ип - 1)/К. (17)

Ее можно также выразить через ширину щетки и коллекторное деление:

bз.к = [bщ + (ип - 1)bк ] Da /Dк . (17а)

Способы улучшения коммутации. Основным средством улучшения коммутации в современных машинах является применение добавочных полюсов, с помощью которых в коммутационной зоне создается магнитное поле, индуцирующее коммутирующую ЭДС ек.ср требуемой величины. Только в машинах малой мощности (менее 300 Вт) удается обойтись без добавочных полюсов.

Добавочные полюсы устанавливают между главными полюсами (рис. 9, а). Они создают в зоне коммутации магнитное поле с такой индукцией Вк , чтобы при вращении якоря в коммутируемых секциях индуцировалась ЭДС ек.ср= - ер.ср . Обмотку добавочных полюсов включают последовательно в цепь якоря, а магнитную систему выполняют ненасыщенной.

Рис. 9 Схема расположения главных и добавочных полюсов (а) и кривая магнитного поля в машине (б) с добавочными полюсами: 1 -- добавочные полюсы; 2 -- обмотка добавочных полюсов; 3 -- обмотка возбуждения; 4 -- главные полюсы

4. Задача

Дано:

Число пар полюсов Р=2

Число элементарных пазов =15

Число секций =15

Число коллекторных пластин =15

Ток в якоре (А) =600

Решение:

Выбираем тип обмотки

а - число параллельных ветвей

2а - 2Р - для ПП

2а=2 -для ПВ

==3.754

ПВ 2а=2

10 В

ПП 2а=2Р

15:44

Задача № 2

Дано:

Мощность , кВт 5

Ток в обмотке возбуждения , А 1,92

Ток в обмотке якоря , А 23,62

при , 20

Сопротивление обмотки якоря , Ом 0,55

КПД генератора , о.е. 0,88

при , 70

Определить:

Напряжение , В

Номинальный ток , А

Сопротивление обмотки возбуждения , Ом

ЭДС генератора Е , В

Суммарные потери мощности в двигателе , кВт

Решение:

1)=23,62-1,92=21,7 (А)

2)=5000/21,7=230,4 (В)

3)=230,4+23,62*0,78=248,82 (В)

4)= (Вт)

5)=230,4/1,92=120 (Ом)

6)== (Ом)

Ответ:

; ; ; (Вт) ; (Ом)

Задача № 3

Дано:

Ток первичной обмотки , А 24

Ток вторичной обмотки , А 361

Сечение сердечника трансформатора , 0,029

Магнитная индукция , Тл 1,5

Фазная ЭДС вторичной обмотки , В 231

Определить:

Мощность , кВ*А

Первичное напряжение , кВ

Вторичное напряжение , кВ

Коэффициент трансформации

Число витков первичной обмотки

Число витков вторичной обмотки

Фазная ЭДС первичной обмотки , В

Решение:

(В)

=231*=400 (В)=0,4 (кВ)

(кВт)

==6 (кВ)

==15

(В)

(Вб)

Ответ:

Мощность , кВ*А 250

Первичное напряжение , кВ 6

Вторичное напряжение , кВ 0,4

Коэффициент трансформации 15

Число витков первичной обмотки 359

Число витков вторичной обмотки 24

Фазная ЭДС первичной обмотки , В 3464

трансформация обмотка ток коммутация

Список используемой литературы

1) Кацман «Электрические машины»

2) Данные сети интернет

Размещено на Allbest.ru