- •Часть 1
- •Предисловие
- •Введение
- •Основные физические законы функционирования электрических машин
- •Общие вопросы машин постоянного тока
- •2.1. Принцип действия машин постоянного тока
- •2.2. Конструкция машин постоянного тока
- •2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока
- •2.3.1. Принципы реализации обмотки якоря и основные понятия
- •2.3.2. Простая петлевая обмотка
- •2.3.3. Простая волновая обмотка
- •2.3.4. Сложная волновая обмотка
- •2.3.5. Сложноволновая обмотка
- •2.4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря
- •2.5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения машин постоянного тока
- •2.6. Эдс якорной обмотки машин постоянного тока
- •2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока
- •2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей в режиме холостого хода
- •2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока. Реакция якоря
- •2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока
- •Двигатели постоянного тока
- •3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока
- •3.2. Основные уравнения двигателя постоянного тока
- •3.3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока
- •3.4. Характеристики двигателей постоянного тока
- •3.4.1. Характеристики двигателей с независимым и параллельным возбуждением
- •3.4.2. Характеристики двигателей с последовательным возбуждением
- •3.4.3. Характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения
- •3.5. Пуск двигателей постоянного тока
- •3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
- •3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением
- •3.6.2. Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением
- •Генераторы постоянного тока
- •4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
- •4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока
- •4.3. Основные характеристики генераторов постоянного тока
- •4.4. Характеристики генератора с независимым возбуждением
- •4.4.1. Характеристика холостого хода
- •4.4.2. Нагрузочная характеристика генератора
- •4.4.3. Внешняя характеристика
- •4.4.4. Регулировочная характеристика
- •4.4.5. Характеристика полного падения напряжения
- •4.5. Рабочая точка нагруженного генератора
- •4.6. Характеристики генератора с параллельным возбуждением
- •4.6.1. Условия самовозбуждения генераторов
- •4.6.2. Характеристика холостого хода
- •4.6.3. Нагрузочная характеристика
- •4.6.4. Внешняя и регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением
- •4.7. Генераторы с последовательным возбуждением
- •4.8. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением
- •4.9. Использование генераторов постоянного тока
- •4.10. Параллельная работа генераторов
- •Трансформаторы
- •5.1. Принцип действия трансформаторов
- •5.2. Конструкция однофазных трансформаторов
- •5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора
- •5.4. Режим холостого хода трансформатора
- •5.5. Работа трансформатора в режиме нагрузки
- •5.6. Приведенный трансформатор и его схема замещения
- •5.7. Экспериментальное определение параметров трансформатора
- •5.8. Изменение выходного напряжения трансформатора при изменении тока нагрузки. Внешняя характеристика трансформатора
- •5.9. Внешняя характеристика трансформаторов
- •5.10. Трехфазные трансформаторы. Принцип действия трехфазных трансформаторов
- •5.11. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
- •5.12. Специальные трансформаторы
- •5.12.1. Автотрансформаторы
- •5.12.2. Измерительные трансформаторы
- •5.13. Параллельная работа трансформаторов
- •Асинхронные машины
- •6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся магнитное поле
- •6.2. Эллиптические и пульсирующие магнитные поля
- •6.3. Принцип действия асинхронного двигателя
- •6.4. Конструкция асинхронного двигателя
- •6.5. Обмотки асинхронных машин
- •6.6. Электродвижущие силы статорной и роторной обмоток
- •6.7. Магнитный поток асинхронных машин
- •6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
- •6.9. Электрическая схема замещения асинхронного двигателя
- •6.10. Энергетические процессы асинхронной машины
- •6.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
- •6.12. Общее уравнение вращающего момента асинхронной машины
- •6.13. Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя
- •6.14. Формула Клосса
- •6.15. Эквивалентная схема замещения асинхронной машины с намагничивающей цепью, приведенной к сетевым зажимам
- •6.16. Круговая диаграмма асинхронной машины. Построение диаграммы
- •6.17. Анализ круговой диаграммы
- •6.18. Пуск трехфазных асинхронных двигателей
- •6.19. Пуск двигателей с фазным ротором
- •6.20. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором
- •6.21. Двигатели со специальной роторной обмоткой и улучшенными пусковыми характеристиками
- •6.22. Способы регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя
- •6.22.1. Изменение частоты вращения с помощью изменения числа пар полюсов
- •6.22.2. Изменение частоты вращения двигателя изменением частоты сети
- •6.22.3. Регулирование частоты вращения ротора асинхронных двигателей изменением сопротивления роторной цепи
- •6.23. Рабочие характеристики асинхронных двигателей
- •Зависимость скорости вращения ротора двигателя от выходной мощности
- •Зависимость механического момента на валу двигателя от выходной мощности
- •Зависимость кпд двигателя от выходной мощности
- •Зависимость коэффициента потребляемой мощности от нагрузки (рис. 6.59)
- •Зависимость потребляемой двигателем мощности от выходной мощности
- •Зависимость скольжения двигателя от выходной мощности
- •6.24. Работа асинхронного двигателя в различных режимах
- •6.25. Работа асинхронной машины с фазным ротором в режиме регулятора трехфазного напряжения
- •6.26. Однофазные асинхронные двигатели
- •6.27. Маркировка выводов асинхронного двигателя
- •Синхронные генераторы
- •7.1. Принцип действия синхронных машин
- •7.2. Конструкция синхронной машины
- •7.3. Режим холостого хода генератора
- •7.4. Реакция якоря синхронной машины
- •7.4.1. Физическая природа реакций якоря
- •7.4.2. Реакция якоря в неявнополюсной машине
- •7.4.3. Реакция якоря в явнополюсной машине. Теория двух реакций
- •7.5. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора
- •7.5.1. Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил трехфазных синхронных генераторов с неявно выраженными полюсами
- •7.5.2. Векторная диаграмма эдс трехфазного синхронного генератора с явно выраженными полюсами (диаграмма Блонделя)
- •7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора
- •7.6.1. Синхронное сопротивление
- •7.6.2. Изменение напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки
- •7.7. Основные характеристики синхронного генератора
- •7.7.1. Характеристика холостого хода
- •7.7.2. Характеристика короткого замыкания
- •7.7.3. Нагрузочная характеристика
- •7.7.4. Внешние характеристики
- •7.7.5. Регулировочные характеристики генератора
- •7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная работа генераторов переменного тока
- •7.9. Угловые характеристики синхронных генераторов
- •7.10. Мощность синхронизации и момент синхронизации
- •7.11. Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного генератора
- •7.12. Потери энергии и коэффициент полезного действия синхронного генератора
- •Синхронные двигатели
- •8.1. Принцип действия синхронных двигателей
- •8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя
- •8.3. Мощность и механический момент синхронного двигателя
- •8.5. Характеристики синхронного двигателя
- •8.6. Методы пуска синхронных двигателей
- •8.7. Синхронные компенсаторы
- •8.8. Способы возбуждения синхронных машин
- •Заключение
- •Список литературы
- •Оглавление
- •440026, Пенза, Красная, 40.
3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением
Основным преимуществом двигателей постоянного тока является сравнительная простота регулирования частоты вращения якоря в больших пределах. Основными способами регулирования частоты вращения якоря двигателей являются:
якорное регулирование,
полюсное регулирование,
реостатное регулирование.
Сущность каждого способа регулирования частоты вращения можно понять, анализируя уравнение, определяющее связь между частотой вращения, напряжением питания, сопротивлением регулировочного реостата и током возбуждения. Ток возбуждения определяет магнитный поток машины.
Уравнение электрического равновесия двигателя, последовательно с якорем которого включен регулировочный реостат сопротивлением Rр:
или .
Отсюда
.
Регулировочное сопротивление включается последовательно с якорем, подобно пусковому реостату. Оно работает в длительном режиме, поэтому его номинальная мощность определяется максимальной рассеиваемой мощностью при самых неблагоприятных условиях.
Из формулы следует, что частота вращения пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку .
Рассмотрим каждый способ управления двигателем.
Якорное управление
Под якорным управлением понимают регулирование скорости вращения якоря двигателей постоянного тока путем изменения напряжения на зажимах якоря двигателя. Напряжение на зажимах обмотки возбуждения должно оставаться неизменным. При таком способе управления двигателем регулировочное сопротивление не используют, и сопротивление цепи якоря определяется только сопротивлением обмотки якоря Rя . Тогда
.
При неизменной величине магнитного потока и сопротивления цепи якоря , но при различных значениях напряжения питания двигатель будет иметь различные искусственные механические характеристики, проходящие через точку частоты вращения идеального холостого хода, величина которой определяется из уравнения и находится на оси частот вращения n. Другая точка механической характеристики определяется величиной пускового момента
.
Рис. 3.21
Если двигатель нагружен номинальным моментом Мн, то каждому напряжению соответствует своя частота вращения, пропорциональная приложенному напряжению U. Номинальному напряжению Uн соответствует номинальная частота вращения nн. Напряжение меньше номинального обеспечивает меньшую частоту вращения . Аналогично изменяется частота вращения при увеличении напряжения и . Падение напряжения на сопротивлении якоря при неизменном моменте остается постоянным. Увеличение напряжений до значений, больших номинального, нежелательно, так как частота вращения при этом становится больше номинальной величины, а это может привести к преждевременному износу машины. На практике иногда допускается увеличение напряжения на якоре на 15–20 % выше номинального напряжения.
Полюсное управление
Под полюсным управлением двигателя постоянного тока понимают регулирование частоты вращения якоря путем изменения напряжения на зажимах обмотки возбуждения. При полюсном управлении двигателем при постоянном моменте на валу ток якоря и напряжение на якоре остаются неизменными. Регулируют лишь ток возбуждения, изменение которого приводит к изменению магнитного потока. Из уравнения скорости
очевидно то, что числитель дроби остается величиной постоянной и частота вращения обратно пропорциональна магнитному потоку.
Рис.
3.22
Естественная механическая характеристика представляет собой прямую линию, проходящую через точки
и .
При уменьшении тока возбуждения на 20 % частота вращения идеального холостого хода увеличивается. Пусковой момент при этом уменьшается на 20 % (см. рис. 3.22). При увеличении тока возбуждения на 20 % происходит уменьшение частоты вращения идеального холостого хода . Пусковой момент при этом увеличится в такое же число раз.
Механические характеристики двигателя постоянного тока с изменением механических моментов нагрузки в пределах от до представлены на рис. 3.23.
Рис. 3.23
При изменении тока возбуждения угол наклона механических характеристик изменяется. При этом уменьшение тока возбуждения приводит к увеличению частоты вращения, а увеличение тока возбуждения дает уменьшение частоты вращения двигателя. Диаметр провода обмотки возбуждения выбирается из условия прохождения номинального тока, поэтому значительное увеличение тока возбуждения до значений выше номинального приводит к перегреву обмотки возбуждения. Иногда допускают превышение тока возбуждения на 1520 %.
Из уравнения механической характеристики следует то, что частота вращения идеального холостого хода обратно пропорциональна магнитному потоку . Если предположить, что магнитный поток машины пропорционален току возбуждения, то , где k – коэффициент пропорциональности, тогда .
Теоретически уменьшение тока возбуждения в два раза дает двукратное увеличение частоты вращения, что уже недопустимо.
Дальнейшее уменьшение тока возбуждения приводит к аварийной ситуации и к выходу двигателя из строя. Поэтому системы защиты двигателя контролируют величину тока возбуждения и отключают напряжение питания якоря при опасно малых токах возбуждения. Таким образом, возможности полюсного управления двигателей постоянного тока весьма ограничены.
Реостатное регулирование
Рис. 3.24
Рис.
3.25
.
Положение механической характеристики определяется двумя точками: скоростью идеального холостого хода и пусковым моментом .
Рис. 3.26
При неизменном механическом моменте ток якоря является величиной постоянной, и вторая слагаемая уравнения скорости , имея отрицательный знак, увеличивается при увеличении Rрег . Таким образом, увеличение Rрег приводит к уменьшению частоты вращения двигателя. На рис. 3.26 .
При таком способе регулирования частоты вращения при постоянном моменте на валу мощность, потребляемая из сети, остается неизменной . Выходная же мощность двигателя при уменьшении частоты вращения уменьшается, так как . Мощность потерь , равная разности мощности, потребляемой из сети, и выходной мощности, с уменьшением частоты вращения увеличивается за счет увеличения мощности нагревания регулировочного реостата, так как потери в самом двигателе изменяются незначительно. КПД всей установки при таком способе регулирования частоты вращения гораздо меньше номинального значения. С точки зрения энергетических затрат такой способ регулирования частоты вращения неэффективен.