- •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.
Генераторы постоянного тока
Генераторами постоянного тока называют электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую энергию постоянного тока.
4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
В зависимости от способа создания магнитного поля различают генераторы с независимым возбуждением (рис. 4.1, а) и генераторы с самовозбуждением (рис. 4.1, б, в, г).
а б в г
Рис. 4.1
Для питания обмотки возбуждения генератора с независимым возбуждением используют внешний источник постоянного тока. Напряжение возбуждения может быть отличным от напряжения на зажимах генератора U.
Однако на первый взгляд покажется странным то, что обмотка возбуждения генератора, который сам является источником постоянного тока, получает питание от другого независимого источника постоянного тока. В ряде случаев это необходимо, но чаще всего обмотка возбуждения получает питание от самого генератора. Другими словами чаще всего используют генераторы с самовозбуждением.
Генераторы с самовозбуждением по способу включения обмоток возбуждения делятся на генераторы с параллельным возбуждением (см. рис. 4.1, б), генераторы с последовательным возбуждением (см. рис. 4.1, г) и генераторы со смешанным возбуждением (см. рис. 4.1, в).
У генератора с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена на зажимы якоря и питается частью тока якоря. , где ток якоря генератора, I ток на выходе генератора, ток обмотки возбуждения генератора. Для изменения тока возбуждения генератора с параллельным возбуждением необходимо включить дополнительный резистор последовательно с обмоткой. У генератора с последовательным возбуждением ток якоря является током обмотки возбуждения . Таким образом, ток возбуждения генератора с последовательным возбуждением зависит от нагрузки. Регулирование тока возбуждения в этом случае усложняется, и оно возможно лишь путем изменения сопротивления резистора, включенного параллельно обмотке возбуждения.
У генераторов со смешанным возбуждением обмотки могут быть включены согласно или встречно. Согласным называют такое включение обмоток, когда магнитные потоки, создаваемые обмотками, складываются. В противном случае включение называют встречным. Тот или другой способ включения обмоток используют в зависимости от требований, предъявляемых к генератору. Если требуется неизменность напряжения на зажимах генератора при изменении тока нагрузки в широких пределах, используется согласное включение. В сварочных установках, где значительное изменение сопротивления дуги не должно приводить к значительному изменению тока, используют встречное включение обмоток возбуждения.
4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока
Генератор постоянного тока, являясь устройством преобразования механической энергии в электрическую, получает механическую энергию от приводного механизма. Кроме этого, если рассматривается генератор с независимым возбуждением, на нагревание обмоток возбуждения проходящим по ней током затрачивается дополнительная энергия источника питания этой обмотки. Магнитное поле генератора с самовозбуждением создается за счет электрической энергии самого генератора, поэтому потери в омическом сопротивлении обмоток или обмоток возбуждения являются составной частью потребляемой механической энергии.
В генераторах постоянного тока, как и в других машинах постоянного тока, кроме потерь мощности в обмотках возбуждения, различают следующие виды потерь: механические потери мощности, потери на перемагничивание и вихревые токи магнитопровода якоря, потери мощности в обмотках якоря.
Механические потери обусловлены трением в подшипниках, трением щеток о поверхность коллектора, трением якоря о воздух и механические потери вентилятора. Преобладающими являются потери на трение в подшипниках и трение щеток о коллектор. Как правило, можно считать, что механические потери являются постоянными и не зависящими от частоты вращения якоря.
Потери мощности на перемагничивание и на вихревые токи тоже являются постоянными и не зависящими от нагрузки. Физическая основа этих потерь традиционна. Потери мощности на перемагничивание стали связаны с магнитными характеристиками стали якоря. Кривая намагничивания стали неоднозначна или, как говорят, представляет собой гистерезисный цикл. Принято считать, что мощность потерь на перемагничивание магнитопровода ротора пропорциональна площади петли гистерезиса материала.
Потери на вихревые токи связаны с изменением магнитного поля в магнитопроводе якоря. Сталь, являясь проводником, имеет свободные электрические заряды, которые, находясь в переменном магнитном поле вращающегося якоря, начинают перемещаться по вихревому закону. Но, как уже известно, всякое перемещение зарядов в проводнике связано с потерями электрической энергии. Для уменьшения такого вида потерь используют магнитные материалы с повышенным удельным сопротивлением, с одной стороны. С другой стороны, для сокращения такого рода потерь магнитопровод якоря изготавливают из пакетов изолированных друг от друга листов электротехнической стали.
Механические потери и потери в стали называют постоянными потерями, так как они практически не зависят от нагрузки.
Треть из основных видов потерь потери в цепи якоря, пропорциональные квадрату тока якоря. Эти потери определяются потерями в сопротивлении проводников обмотки якоря, сопротивлении перехода щетки – коллектор и сопротивлении самих щеток. Обычно измеряют электрическое сопротивление цепи якоря, по величине которого и судят о потерях. Этот вид потерь зависит от нагрузки, поэтому их относят к переменным потерям.
В соответствии с приведенными пояснениями в общем случае следует рассматривать три варианта энергетической диаграммы в зависимости от типа генераторов (рис. 4.2).
а
б
в
Рис. 4.2
На рис. 4.2, а представлена энергетическая диаграмма генератора с магнитным потоком, созданным постоянными магнитами.
Энергия, потребляемая от источника механической энергии (приводного двигателя), распределяется следующим образом. Часть мощности идет на преодоление механических потерь . Часть мощности идет на потери в стали . Часть энергии теряется в цепи якоря . Потери в цепи якоря, обусловленные нагреванием обмотки якоря, называют иногда потерями в меди. Полезная выходная мощность равно произведению напряжения на выходе и тока нагрузки . Коэффициент полезного действия такого генератора определяется по традиционной формуле
.
генератор с независимым возбуждением получает механическую энергию от привода двигателя и от источника питания обмотки возбуждения (см. рис. 4.2, б). Электрическая энергия источника питания обмотки возбуждения превращается в тепловую энергию в обмотке возбуждения. Часть механической энергии приводного механизма теряется на преодоление трения (механические потери ), потери в стали и потери на нагревание элементов электрической цепи якоря . Нагреваются обмотки, коллектор и щетки. Таким образом, КПД генератора с независимым возбуждением определится из соотношения
,
где .
В случае генератора с самовозбуждением на питание обмотки возбуждения используется часть электрической энергии, выработанной генератором, тогда (см. рис. 4.2, в)
.
На энергетических диаграммах выделена электромагнитная мощность . Электромагнитная мощность определяется энергией, которая преобразуется в другой вид энергии. В случае генераторов постоянного тока электромагнитной энергией является энергия обмотки якоря, полученной в результате преобразования механической энергии.
Для вычисления КПД генераторов необходимо знать величины мощностей, входящих в формулы.
Входная механическая мощность приводного двигателя вычисляется умножением механического момента на валу на частоту вращения. , где . Выходная мощность равна произведению тока генератора и выходного напряжения . Мощность обмотки возбуждения вычисляется по реальным значениям напряжения и тока возбуждения . Мощность переменных потерь или потерь в цепи якоря вычисляется по формуле , где сопротивление цепи якорной обмотки, ток якоря, величина которого не всегда равна току нагрузки генератора.
Постоянные потери, которые равны сумме мощностей механических потерь и потерь в стали, определяются экспериментально. Они равны мощности, потребляемой генератором, работающим в режиме холостого хода. В соответствии с энергетическими диаграммами при и в случае генератора с постоянным магнитом, входная мощность будет равна сумме механических потерь и потерь в стали. Мощность постоянных потерь генератора с независимым возбуждением будет равна мощности приводного двигателя. В случае генератора с самовозбуждением для экспериментального определения постоянных потерь испытание генератора необходимо проводить в режиме питания обмотки возбуждения от независимого источника.
Представляют особый интерес соотношения мощностей, при которых КПД достигает своего максимально значения. Из приведенных выше соотношений следует, что выходная мощность генератора и постоянные потери равны сумме механических потерь и потерь в стали . Мощность потерь в цепи якоря пропорциональна квадрату тока . Пренебрегая мощностью цепи возбуждения, можно записать .
Считая выходное напряжение генератора величиной постоянной , производная КПД по току запишется следующим образом:
.
Приравнивая числитель дроби нулю, получаем:
или .
Так как переменные потери определяются мощностью потерь в меди , можно утверждать, что КПД достигнет своего максимального значения тогда, когда переменные потери будут равны постоянным потерям. Другими словами говоря, КПД будет иметь максимальное значение, если мощность потерь в якорной цепи будет равна сумме мощностей потерь в стали и мощности механических потерь .