Электрические машины конспект лекций

Номинальный ток якоря

I a.íîì 42,6 1,23 41,37 À.

Пусковой ток якоря при прямом включении

I ï 220 733À.

0,3

Кратность пускового тока

I ï		733	17,2.
I íîì	42,6

Общее сопротивление якорной цепи при реостатном пуске

	Rð.ï	220	2,66	Îì.
		2 41,37

Сопротивление пускового реостата

Rï.ð 2,66 0,3 2,36 Îì.

Вопрос 25.1.2. Пусковой момент будет больше при последовательном возбуждении, так как в этом случае будет больше магнитный поток при пуске.

Вопрос 25.1.3. Для обеспечения хорошего пускового момента магнитный поток двигателя, а следовательно, и ток возбуждения при пуске должны быть наибольшими.

Вопрос 25.2.1. Если поменять местами питающие двигатель провода, то одновременно изменится и направление тока в якоре, и направление магнитного потока. Направление действия вращающего момента останется без изменений.

Вопрос 25.2.2. См. рис. 25.11.

Вопрос 25.3.1.1. Как видно из формулы (24.7), при отрицательном моменте

n	U		ra	M ,
C e			C e C M

и с увеличением сопротивления якорной цепи скорость двигателя при постоянном тормозном моменте будет увеличиваться.

301

Вопрос 25.3.1.2. При переходе в генераторный режим ток якоря, а значит, и ток в последовательной обмотке меняет свое направление, в то время как ток в параллельной обмотке останется неизменным. Последовательная обмотка начинает действовать навстречу параллельной, ослабляя магнитный поток и резко увеличивая крутизну характеристики. Чтобы не усложнять перевод в генераторный режим переключением последовательной обмотки, ее отключают.

Вопрос 25.3.2.2. При увеличении сопротивления увеличивается крутизна тормозной характеристики, и тормозной момент при той же скорости снижается.

Вопрос 25.3.3.1.

C e			U íîì ra I a.íîì				220 0,3 41,4			0,138,
			níîì			1500
	r r I					0,3 2		50
n		a T a							833îá/ìèí.
		C e				0,138

Вопрос 25.3.3.2. Магнитный поток в двигателе при торможении по рис. 25.6, á будет постоянным, характеристики будут линейными, подобно характеристикам двигателя параллельного возбуждения в этом же режиме.

Рис. 25.16. Схемы реверсирования двигателя последовательного возбуждения

Вопрос 25.4.1.1. Как видно из формулы (24.6), при идеальном холостом ходе двигателя ( I a 0) скорость n0 не зависит от сопротивления якорной цепи и будет одинакова для всех реостатных характеристик.

Вопрос 25.4.1.2. При последовательно включенном в цепь якоря регулировочном сопротивлении ток якоря является и током возбуждения. Следовательно, при одном и том же токе якоря в двигателе будут одинаковые потери и он будет развивать одинаковые моменты.

302

Вопрос 25.4.2.1. Магнитные потоки в точках 1, 2 è 3:

1 2 3 .

Следовательно, при одинаковом токе якоря

M 1 M 2 M 3 .

Вопрос 25.4.2.2. При уменьшении шунтирующего сопротивления Р. С. ток в обмотке возбуждения и, соответственно, магнитный поток уменьшатся, скорость увеличится.

Вопрос 25.4.3.1. Уменьшение возбуждения генератора вызовет уменьшение напряжения на двигателе, а уменьшение возбуждения двигателя — уменьшение магнитного потока. В результате скорость двигателя либо не изменится, либо изменится незначительно.

Вопрос 25.4.3.2. При пуске двигателя возбуждение генератора должно быть минимальным (движок реостата р1 находится в нижнем положении), возбуждение двигателя — максимальным (движок реостата р2 в верхнем положении).

Лекция 26

УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КОЛЛЕКТОРНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

26.1. Электромагнитный момент и характеристики при работе на переменном токе

				Универсальные	коллекторные двига-
				тели могут работать от источников как по-
				стоянного, так и однофазного переменного
				òîêà (ðèñ. 26.1).
				Универсальный	двигатель	устроен
				принципиально так же, как и двигатель по-
				стоянного тока с последовательным возбу-
				ждением.
				Однако по своей конструкции универ-
				сальный двигатель отличается от двигателя
				постоянного тока	òåì, ÷òî èõ	станина
Рис. 26.1. Схема вклю-				и главные полюсы делают шихтованными
чения универсального				из листовой электротехнической стали. Ка-

коллекторного двига-

тушки обмотки возбуждения выполняют

òåëÿ

с ответвлениями, так как при работе на переменном токе номинальная частота вращения оказывается меньшей (из-за падения напряжения в индук-

тивном сопротивлении двигателя), чем при работе на постоянном токе.

При работе двигателя на переменном токе ток якоря и маг-

нитный поток изменяются по синусоидальному закону:
ia I am sin t 2I a sin t,	(26.1)

304

m sin t ,

(26.2)

где — угол сдвига между током якоря и магнитным потоком. Мгновенное значение электромагнитного момента

M C M m sin t I am sin t

(26.3)

0,52C M m I a cos cos 2 t .

Графики изменения тока ia, магнитного потока Ф и электромагнитного момента M показаны на рис. 26.2. Момент двигателя может быть представлен в виде двух составляющих: постоянной; переменной, которая изменяется с двойной частотой:

M ïîñò 0,5

2C M m I a

cos ,

(26.4)

M

ïåð

0,5 2C

M

m

I

a

cos 2 t ,

(26.5)

M ñð M ïîñò 0,5 2C M m I a cos C M m I a ,

(26.6)

ãäå C M 0,52C M , I a I a cos .

Рис. 26.2. Универсальный коллекторный двигатель: à — график изменения тока якоря, потока и электромагнитного момента; á — векторная диаграмма при работе на переменном токе

Уравнение электрического равновесия имеет вид

	I a ra jI a xa ,	(26.7)
U E

ãäå ra è xa — сумма активных и реактивных сопротивлений в цепи обмотки якоря.

305

ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря,

E C e m n.

(26.8)

Векторная диаграмма, соответствующая уравнению (26.7), представлена на рис. 26.2, á.

Из уравнений (26.7) и (26.8) зависимость частоты вращения от тока якоря

	E					jI a xa
n				U I a Ra			.	(26.9)
	C e m				C e m
На основании		(26.6)			è (26.9)	строятся		зависимости

n f I a , M f I a è n f M (ðèñ. 26.3).

Однако при переменном токе в числителе (26.9) появляется дополнительный член jI a xa , сдвигающий механическую характеристику двигателя в область более низких частот вращения (рис. 26.3, à, кривая 2). Для того чтобы приблизить ее к механи-

						ческой характеристике при по-
						стоянном токе (кривая 1),
						часть витков обмотки возбуж-
						дения при переходе на питание
						переменным	током отключа-
						ют, т. е. уменьшают магнит-
						ный поток машин. При этом
						обеспечиваются		одинаковые
	Рис. 26.3. Механические и рабочие ха-					номинальные частоты враще-
						ния двигателя для обоих режи-
	рактеристики универсального коллек-
						мов работы (кривая 3).
	торного двигателя: - - - — на пере-
	менном токе; ––– — на постоянном					В связи	ñ	уменьшением
	òîêå					магнитного	потока двигателя

при работе на переменном токе его магнитная система оказывается менее насыщенной, чем при работе на постоянном токе. Поэтому при работе в рассматриваемом режиме зависимость M f I a приближается к параболи-

ческой; зависимость n f I a — к гиперболической в большем

диапазоне изменения тока, чем при постоянном токе, а механи- ческая характеристика становится более мягкой.

306

КПД двигателя при переменном токе меньше, чем при постоянном, из-за появления реактивной составляющей и увеличе- ния активной составляющей вследствие возрастания потерь в стали. При работе на переменном токе регулирование частоты вращения осуществляют, в основном, изменением питающего напряжения; реже — включением реостата в цепи якоря.

При работе на переменном токе в коммутируемой секции, кроме реактивной ÝÄÑ eð, индуктируется еще трансформаторная

ÝÄÑ eòð, так как эта секция сцеплена с переменным магнитным потоком. Реактивная ЭДС возникает так же, как и в машине постоянного тока, в результате изменения тока ia в коммутируемой секции при переходе ее из одной параллельной ветви в другую. Однако в данном случае токи +ia è –ia в каждой параллельной ветви (рис. 26.4) не остаются постоянными, а изменяются по синусоидальному закону

ia iam sin t 2I a sin t. 2a

Следовательно, реактивная ЭДС, пропорциональная произ-

водной dia , будет зависеть от величины тока ia в момент комму- dt

тации, т. е. в разные моменты времени она будет различной. Если пренебречь периодом коммутации Tê по сравнению

с временем T0 между двумя последовательными коммутациями, то можно считать, что производная

dia

2ia

2I a

sin t,

(26.10)

dt

Tê

aTê

а реактивная ЭДС

eð Lðåç

dia

2I a

Lðåç sin t eðm sin t,

(26.11)

dt

aTê

ãäå eðm — максимальное значение реактивной ЭДС, соответст-

вующее максимальному току якоря Iam, eð m	2I a Lðåç	.
	aTê

Следовательно, реактивная ЭДС совпадает по фазе с током якоря и пропорциональна частоте вращения n (период коммута-

307

Рис. 26.4. Диаграммы, иллюстрирующие возникновение реактивной и трансформаторной ЭДС в универсальном коллекторном двигателе

öèè Tê обратно пропорционален n) и току якоря Ia так же, как в машинах постоянного тока.

Трансформаторная ЭДС индуктируется в коммутируемой секции переменным магнитным потоком машины

(ñì. ðèñ. 26.4, á). Так как магнитный поток изменяется по закону

m sin t		, то при установке щеток на геометрической
	2
нейтрали
					(26.12)
		eòð 2fwc m sin t		,
			2

ãäå wñ — число витков в секции.

Если не учитывать угол , то eòð будет сдвинута относительно реактивной ЭДС на 90°. Результирующая ЭДС в коммутируемой секции будет изменяться по синусоидальному закону и в некоторые моменты времени будет иметь максимальное значение

eðåç.m eð2m eòð.2 m .

(26.13)

Применение добавочных полюсов обеспечивает компенсацию реактивной ЭДС. Трансформаторная же ЭДС остается нескомпенсированной и создает добавочный ток, замыкающийся через щетки. Это значительно ухудшает коммутацию машины, а следовательно, может вызвать опасное искрение на коллекторе, что приводит к сокращению срока службы универсального коллекторного двигателя. Особенно неблагоприятные условия

308

коммутации возникают при пуске двигателя в том случае, когда трансформаторная ЭДС достигает большой величины из-за увеличенных значений пускового тока и потока возбуждения.

Основной недостаток коллекторных двигателей — весьма тяжелые условия коммутации. Применение в обмотке якоря двигателя одновитковых секций (wc 1) не способствует ограничению трансформаторной ЭДС, но при этом увеличивается количество пластин коллектора, а следовательно, возрастают его размеры.

Универсальные коллекторные двигатели широко применяют в устройствах автоматики, для привода различного электроинструмента, бытовых электроприборов и др.

ВОПРОСЫ

26.1.1. Какова разница в конструкции коллекторных двигателей постоянного и переменного тока?

Лекция 27

НАГРЕВАНИЕ И РЕЖИМЫ НАГРУЗКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

27.1. Нагревание электрических машин

Повышение температуры является главной причиной, ограничивающей мощность машины при длительных и кратковременных нагрузках.

Процессы нагревания и охлаждения во всех типах электри- ческих машин подчиняются общим законам. Электрическая машина представляет собой совокупность ряда частей (обмоток, элементов магнитопровода, конструктивных деталей), которые имеют различные теплопроводность, теплоемкость и условия охлаждения, вследствие чего температура их также будет различна.

Потери энергии в электрической машине выделяются в виде тепла, повышающего температуру обмотки и магнитопровода. За промежуток времени dt в электрической машине выделяется тепловая энергия dQ Pdt, которая частично расходуется на повышение температуры машины на величину d , а частично — отводится в окружающую среду. Для любого момента времени в машине для баланса тепловой энергии можно записать уравнение

dQ Pdt cmd k òî S îõë dt,

(27.1)

ãäå cmd — часть тепловой энергии, которая накапливается в машине и вызывает повышение ее температуры;

k òî S îõë dt — часть тепловой энергии, рассеивающейся в окружающее пространство;

310