І V Анализ физических явлений в электротехнических устройствах

З адание 1

Анализ электромагнитных и тепловых явлений в генераторах постоянного тока

1.1 Производственно-техническая ситуация.

Вы работаете преподавателем электротехнического колледжа. Заведующим учебной частью Вам было предложено разработать методическое обеспечение для выполнения студентами задания – «Анализ электромагнитных и тепловых явлений в генераторах постоянного тока».

1.2 Первая часть разрешения производственно-технической ситуации.

Приводим последовательность Ваших рассуждений и действий по разрешению производственно – технической ситуации.

Прежде всего Вы описали основные физические явления (электрического тока, теплового действия электрического тока, электромагнетизма и электромагнитной индукции), которые проявляются при работе генераторов постоянного тока.

Явление электрического тока Вы обобщили следующим образом:

1. Вы объяснили, что явление электрического тока заключается в упорядоченном направленном движении свободных заряженных частиц под действием сил электрического поля;

2. для описания явления введены следующие физические величины:

• электродвижущая сила (э.д.с.), буквенное обозначение – Е, единица – вольт (В);

• сопротивление проводника электрическому току, буквенное обозначение – R, единица – ом (Ом);

• сила электрического тока, буквенное обозначение – I, единица - ампер (А);

3. сформулировали закон электрического тока для замкнутого контура: сила тока в цепи прямопропорциональна э.д.с. и обратнопропорциональна сопротивлению цепи.

4. записали математически закон электрического тока:

Явление теплового действия электрического тока Вы обобщили следующим образом:

1. Вы объяснили, что явление теплового действия электрического тока заключается в том, что, если по проводнику протекает электрический ток, то в проводнике выделяется определенное количество теплоты;

2. для описания явления введены следующие физические величины:

• количество теплоты, буквенное обозначение – Q, единица – джоуль (Дж);

• сопротивление проводника электрическому току, буквенное обозначение – R, единица – ом (Ом);

• сила электрического тока, буквенное обозначение – I, единица - ампер (А);

• время, буквенное обозначение – t, единица – секунда (с);

3. сформулировали закон теплового действия электричсекого тока: количество теплоты, которое выделяется в проводнике, прямопропорционально сопротивлению проводника, квадрату силы электрического тока и времени протекания тока.

4. записали математически закон теплового действия электрического тока:

Явление электромагнетизма Вы обобщили следующим образом:

1. Вы объяснили, что явление электромагнетизма заключается в том, что, если по проводнику протекает электрический ток, то вокруг проводника образуется электромагнитное поле;

2. для описания явления введены следующие физические величины:

• число витков катушки, буквенное обозначение – w;

• магнитный поток, буквенное обозначение – Ф, единица – вебер (Вб);

• индуктивность катушки, буквенное обозначение – L, единица – генри (Гн);

• сила электрического тока, буквенное обозначение – I, единица - ампер (А);

3. сформулировали закон электромагнетизма для проводящего контура: потокосцепление прямопропорционально индуктивности катушки и силе электрического тока;

4. математически записали закон электромагнетизма:

Явление электромагнитной индукции Вы обобщили следующим образом:

1. Вы объяснили, что явление электромагнитной индукции заключается в том, что если проводящий контур пронизы­вается пере­менным магнитным потоком, то в контуре индуктируется (наводится) электродвижущая сила;

2. для описания явления были введены следующие физические величины:

• электродвижущая сила, буквенное обозначение – е, единица электродвижущей силы – вольт (В);

• число витков катушки, буквенное обозначение – w;

• магнитный поток, буквенное обозначение – Ф, единица – вебер (Вб);

• время, буквенное обозначение – t, единица – секунда (с);

3. сформулировали закон электромагнитной индукции: значение электродвижущей силы, наводимой в контуре, прямо пропорционально числу вит­ков контура и скорости изменения магнит­ного потока;

4. математически записали закон электромагнитной индукции:

_.

1.3 Алгоритм первой части разрешения производственно-технической ситуации:

Вы предложили электротехническому персоналу самостоятельно проработать соответствующий теоретический материал по книге В. П. Овчаровой и В. В. Овчарова «Физические основы электротехники», дав ответы на следующие вопросы и выполнив следующие задания:

1. В чем суть явления электрического тока?

2. Дайте определение физической величине – электродвижущей силе.

3. Запишите определяющую формулу электродвижущей силы.

4. Объясните причину сопротивления проводника электрическому току.

5. Запишите расчетную формулу сопротивления проводника электрическому току.

6. Что понимается под удельным сопротивлением проводника электрическому току?

7. Дайте определение физической величине – силе электрического тока.

8. Запишите определяющую формулу силы электрического тока.

9. Сформулируйте закон электрического тока для замкнутой цепи.

10. Запишите математически закон электрического тока для замкнутой цепи.

11. В чем суть явления теплового действия электрического тока?

12. Сформулируйте закон теплового действия электрического тока.

13. Запишите математически закон теплового действия электрического тока.

14. В чем суть явления электромагнетизма?

15. Что понимается под силовыми линиями магнитного поля?

16. В чем состоит правило буравчика?

17. Дайте определение магнитной индукции магнитного поля.

18. Запишите определяющую формулу магнитной индукции и расшифруйте ее.

19. Какое магнитное поле называется однородным?

20. Дайте определение магнитного потока магнитного поля.

21. Запишите определяющую формулу магнитного потока и расшифруйте ее.

22. От чего зависит индуктивность катушки?

23. Запишите расчетную формулу индуктивности катушки и расшифруйте ее.

24. Запишите единицы магнитной индукции, магнитного потока, индуктивности.

25. В чем суть явления электромагнитной индукции в проводящем контуре?

26. Дайте определение электродвижущей силы.

27. Запишите определяющую формулу электродвижущей силы и расшифруйте ее.

28. Сформулируйте закон электромагнитной индукции в проводящем контуре.

29. Запишите математически закон электромагнитной индукции в проводящем контуре и расшифруйте его.

30. Объясните физический смысл знака минус в математической записи закона электромагнитной индукции в проводящем контуре.

31. Из каких основных частей состоит генератор постоянного тока?

32. Каково назначение главных полюсов генератора постоянного тока?

33. Каково назначение якоря генератора постоянного тока?

34. Как используется явление электромагнетизма в конструкции генератора постоянного тока?

35. Как используется явление электромагнитной индукции в проводящем контуре в генераторе постоянного тока?

1.4 Вторая часть разрешения производственно-технической ситуации.

Далее Вы описали устройство электродвигателя постоянного тока.

В настоящее время электромашиностроительные заводы изготовляют электрические машины постоянного тока, предназначенные для работы в самых различных отраслях промышленности и сельского хозяйства, поэтому отдельные узлы этих машин могут иметь разную конструкцию, но общая конструктивная схема машин одинакова. Неподвижная часть машины постоянного тока называется статором, вращающаяся часть — якорем.

Статор. Состоит из станины 8 и главных полюсов 6. С т а н и н а 8 служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 11 для крепления машины к фундаментальной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов 6. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транс­портировку и монтаж машины.

Главные полюсы предназначены для создания в машине магнитного поля возбуждения. Главный полюс состоит из сердечника 6 и полюсной катушки 7. Со стороны, обращенной к якорю, сердечник полюса имеет полюсный наконечник, который обеспечивает необходимое распределение магнитной индукции в зазоре машины. Сердечники главных полюсов делают шихтованными из листовой конструкционной стали толщиной 1-2 мм или из тонколистовой электротехнической анизотропной холоднокатаной стали, например марки 3411. Штампованные пластины главных полюсов специально не изолируют, так как тонкая пленка окисла на их поверхности достаточна для значительного ослабления вихревых токов, наведенных в полюсных наконечниках пульсациями магнитного потока, вызванного зубчатостью сердеч­ника якоря. Анизотропная сталь обладает повышенной магнитной проницаемостью вдоль проката, что должно учитываться при штамповке пластин и их сборке в пакет. Пониженная магнитная проницаемость поперек проката способствует ослаблению реак­ции якоря и уменьшению потока рассеяния главных и добавочных полюсов.

В машинах постоянного тока небольшой мощности полюсные катушки делают бескаркасными — намоткой медного обмоточного провода непосредственно на сердечник полюса, предварительно наложив на него изоляционную прокладку. В большинстве машин (мощностью 1 кВт и более) полюсную катушку делают каркасной: обмоточный провод наматывают на каркас (обычно пластмассовый), а затем надевают на сердечник полюса . В некоторых конструкциях машин полюсную катушку для более интенсивного охлаждения разделяют по высоте на части, между которыми оставляют вентиляционные каналы.

Якорь. Якорь машины постоянного тока состоит из вала 1, сердечника 5 с обмоткой и коллектора 3. Сердеч­ник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Листы покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конструкция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря.

Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их провода­ми обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). В некоторых машинах пазы не закрывают клиньями, а накладывают на поверхность якоря бандаж. Бандаж делают из проволоки или стеклоленты с предварительным натягом. Лобовые части обмотки якоря крепят к обмоткодержателям бандажом.

Коллектор 3 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, собранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндрическую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе.

Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток, располагаемых в щеткодержателях 4.

Помимо указанных частей машина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 2 (со стороны коллектора) и задний 9. В центральной части щита имеется расточка под подшипник 12. На переднем подшипниковом щите имеется смотровое окно (люк) с крышкой, через которое можно осмотреть коллектор и щетки не разбирая машины. Концы обмоток выведены на зажимы коробки выводов. Вентилятор 10 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выбрасывается с противоположной стороны через решетку.

Из рассмотрения принципа действия и устройства коллекторной машины постоянного тока следует, что непременным элементом этой машины, включенным между обмоткой якоря и внешней сетью, является щеточно-коллекторный узел — механический преобразователь рода тока. Таким образом, коллекторные машины сложнее бесколлекторных машин переменного тока (асинхронной и синхронной) и, следовательно, уступают им (особенно асинхронной машине) в надежности и имеют более высокую стоимость.

Т аким образом, элементами конструкции простейшего генератора являются якорь, состоящий из витков проводящего контура, и индуктор (основные полюса), создающий магнитное поле.

Далее Вы рассмотрели принцип действия генератора постоянного тока на его конструктивной схеме. В магнитном поле постоянных магнитов (N – S) помещён виток, укреплённый на оси. К двум концам витка прикреплены металлические полукольца, на которые накладываются щётки (скользящие контакты, к которым подключается нагрузка R_нагр). При вращении данного витка с угловой скоростью  возникает явление электромагнитной индукции и в нём индуктируется э.д.с. При подключении к нему нагрузки в витке будет протекать электрический ток I. Э.д.с., наводимая в витках, будет иметь синусоидальный характер. Для ее выпрямления применяется коллектор.

Направление электродвижущей силы индукции определяется по правилу правой руки, которое заключается в следующем: если правую руку расположить в магнитном поле так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а большой палец соответствовал направлению движения проводника, то выпрямленные пальцы руки покажут направление электродвижущей силы.

Далее Вы рассмотрели управление генератором постоянного тока.

В соответствии с изложенным выше составили принципиальную электрическую схему управления генератором.

Н а данной схеме приведены следующие обозначения:

РВ – регулировочный реостат в цепи возбуждения;

ОВ – обмотка возбуждения;

Ш1, Ш2 – зажимы обмотки возбуждения;

Я1, Я2 – зажимы обмотки якоря;

Я – якорь генератора;

 – угловая скорость вращения вала генератора;

РA – амперметр, измеряющий силу тока нагрузки;

РV – вольтметр, измеряющий напряжение на зажимах генератора;

РН – реостат нагрузки.

Вы предложили студентам ответить на следующие вопросы:

1. Как с помощью реостата возбуждения РВ увеличить показание вольтметра PV?

2. Как с помощью реостата возбуждения РВ уменьшить показание амперметра РА?

3. Как с помощью механического привода увеличить показание вольтметра PV?

4. Как с помощью реостата возбуждения РВ уменьшить показание вольтметра PV?

5. Как с помощью реостата возбуждения РВ увеличить показание амперметра РА?

6. Как с помощью механического привода уменьшить показание вольтметра PV?

7. Как с помощью реостата нагрузки РН увеличить показание амперметра РА?

8. Как с помощью реостата нагрузки РН уменьшить показание амперметра РА?

Далее Вы описали физические явления и процессы, наблюдаемые при работе генератора постоянного тока.

При вращении якоря в магнитном поле индуктора (то есть при работе генератора) в элементах конструкции генератора наблюдаются следующие физические явления и процессы.

В индукторе:

• явление электрического тока в обмотке возбуждения;

• явление электромагнетизма в обмотке возбуждения;

• явление теплового действия тока в обмотке возбуждения;

• процесс нагрева обмотки возбуждения.

В якоре:

• явление электромагнитной индукции в обмотке якоря;

• явление электрического тока в обмотке якоря;

• явление электромагнитной силы от действия тока в обмотке якоря;

• явление электромагнетизма в обмотке якоря;

• явление теплового действия тока в обмотке якоря;

• процесс нагрева обмотки якоря;

• явление электромагнитной индукции в магнитопроводе якоря;

• явление вихревых токов в магнитопроводе якоря;

• явление электромагнитной силы от действия вихревых токов;

• явление теплового действия вихревых токов в магнитопроводе якоря;

• явление гистерезиса магнитопровода якоря;

• явление электромагнитной силы от гистерезиса;

• явление теплового действия гистерезиса магнитопровода якоря;

• процесс нагрева магнитопровода якоря.

В механической системе:

• явление трения в подшипниках;

• явление трения между коллектором и щётками;

• явление трения якоря о воздух;

• процесс нагрева механической системы.

Дале Вы объяснили энергетическую диаграмму генератора.

Энергетическая диаграмма генератора – это изображение преобразования в нём энергии. При работе генератора, как показано выше, часть потребляемой им энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Потерянную энергию в единицу времени называют потерями мощности (или потерями). В генераторе есть три пути потерь энергии: в механической системе, в электрических цепях, в магнитопроводе якоря.

Механические потери (Р_мх):

• потери на трение в подшипниках (Р_подш);

• потери на трение между щётками и коллектором (Р_щет);

• потери на трение о воздух и вентиляцию (Р_вент).

Р_мх = Р_подш + Р_щет + Р_вент . (2)

Электрические потери (Р_эл):

• потери в проводниках обмотки возбуждения в результате теплового действия протекающего в ней тока (Р_в);

• потери в проводниках обмотки якоря в результате теплового действия протекающего в ней тока (Р_я);

• потери в щётках и коллекторе в результате теплового действия протекающего в них тока (Р_щ).

Р_эл = Р_в + Р_я + Р_щ = R_вI²_в + R_яI²_я + R_щ I²_я , (3)

где R_в – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

I_в – сила тока в обмотке возбуждения, А;

R_я – сопротивление обмотки якоря, Ом;

I_я – сила тока в обмотке якоря, А;

R_щ – сопротивление щёточных контактов, В.

Потери в магнитопроводе (Р_мг):

• потери в магнитопроводе якоря в результате теплового действия протекающих в нём вихревых токов (Р_вх);

• потери в магнитопроводе якоря в результате теплового действия гистерезиса (Р_г).

Р_мг = Р_вх + Р_г . (4)

Добавочные потери (Р_д) возникают в генераторе в результате других не учтённых явлений.

Следовательно, суммарные потери (Р_) при работе генератора равны:

Р_ = Р_мх + Р_эл + Р_мг + Р_д . (5)

Таким образом, энергетическая диаграмма генератора имеет следующий вид.

Механическая мощность на валу генератора равна:

Р_мх = М , (6)

где М – механический момент на валу генератора, Нм;

 – угловая скорость вращения вала генератора, рад/с.

Электрическая мощность, отдаваемая генератором нагрузке, равна:

Р_эл = R_нагрI² , (7)

где R_нагр – эквивалентное сопротивление нагрузки, Ом;

I – сила тока, потребляемого нагрузкой, А.

В другом виде:

Р_эл = Р_мх – Р_ . (8)

Коэффициент полезного действия генератора равен:

. (9)

Вы предложили студентам ответить на следующие вопросы:

1. Какие явления в индукторе приводят к появлению магнитного потока?

2. Какое явление приводит к процессу нагрева обмотки возбуждения?

3. Какое явление в якоре приводит к появлению напряжения на его зажимах?

4. Какое явление приводит к нагреву обмотки якоря?

5. Какое явление приводит к появлению механического момента сопротивления вращению якоря?

6. Какие явления приводят к нагреву магнитопровода якоря?

7. Какие явления в магнитопроводе якоря приводят к появлению механического момента сопротивления вращению якоря?

8. Какие явления приводят к нагреву механической системы?

9. В каких частях генератора постоянного тока наблюдаются механические потери мощности?

10. В каких частях генератора постоянного тока наблюдаются электрические потери мощности?

11. Какие потери мощности наблюдаются в магнитопроводе?

Затем Вы выполнили расчетное задание.