Принцип обратимости нашим постоянного тока

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т. е. они могут работать как генераторы и как двигатели. Переход генератора в режим работы двигателя можно пояснить следующим образом.

Если генератор включить в сеть постоянного тока, то в обмотках якоря и электромагнитов установится ток, при этом электромагниты создадут постоянное магнитное поле и на каждый проводник обмотки якоря с током начнет действовать сила, стремящаяся повернуть якорь в сторону действия силы (рис. 6-12, а). Таким образом, взаимодействие магнитного поля якоря с полем обмотки возбуждения приводит якорь во вращение.

Применяя правило левой руки, можно легко заметить, что при изменении направления тока только в якоре (рис. 6-12, б) или только в обмотке возбуждения (рис. 6-12, в) направление вращения якоря изменяется на противоположное, а одновременное изменение направления тока в обеих обмотках не изменяет направления вращения якоря (рис. 6-12, г.)

Электродвигатели конструктивно не отличаются от генераторов постоянного тока, т. е. они имеют точно такое же устройство (за исключением немногих типов двигателей специального назначения).

Рассмотрим некоторые особенности двигателей. Если двигатель постоянного тока с сопротивлением обмотки якоря включить в сеть с напряжением U, то в момент пуска в якоре установится ток значение которого может быть определено по закону Ома:

Так как сопротивление обмотки якоря мощных двигателей составляет лишь десятые и сотые доли ома, а рабочее напряжение — порядка сотен вольт, то пусковой ток может составить сотни и тысячи ампер, превышая номинальное значение тока для данного двигателя в 10—30 раз. Такой ток не только не желателен, но и опасен для двигателя, так как может разрушиться коллектор и сгореть обмотка двигателя. Очевидно, что ограничение пускового тока можно осуществить включением пускового реостата в цепь якоря. Тогда пусковой ток уменьшится и будет равен

Сопротивление пускового реостата выбирают таким, чтобы пусковой ток не превышал номинальный более чем в 1,1-1,5 раза.

В результате взаимодействия якоря с полем полюсов якорь придет во вращение, обмотка его будет вращаться в магнитном поле и в ней индуцируется ЭДС самоиндукции S, полярность которой противоположна полярности напряжения сети. Эта ЭДС

вызывает ослабление тока в якоре, а ее значение пропорционально скорости вращения якоря, т. е. по мере разгона двигателя ток будет уменьшаться и пусковой реостат можно выводить.

Иначе говоря, у нормально вращающегося двигателя основная часть подводимого напряжения уравновешивается ЭДС самоиндукции. Ток в якоре при выведенном пусковом реостате можно выразить уравнением

Для выяснения роли ЭДС самоиндукции в преобразовании электрической энергии в механическую в двигателе постоянного тока уравнение (6.19) представим в следующем виде:

Получили уравнение электрического равновесия, согласно которому приложенное к зажимам двигателя напряжение сети U уравновешивается суммой ЭДС самоиндукции 8 и падением напряжения на сопротивлении якоря

Умножив обе части уравнения (6.20) на получим:

В этом новом уравнении (6.21) левая часть представляет собой не что иное, как электрическую мощность, потребляемую двигателем из сети, а последний член правой части мощность, поглощаемую сопротивлением якоря (электрические потери в якоре). Очевидно, что член представляет собой электрическую мощность, преобразуемую в другой вид энергии. Следовательно, и есть та часть потребляемой из сети электрической мощности» которая преобразуется в механическую (включая механические потери).

Таким образом, ЭДС самоиндукции в двигателе постоянного тока влияет на преобразование потребляемой из сети электрической энергии в механическую. При неподвижном якоре преобразование (полезное) отсутствует хотя потребляемая из сети мощность максимальна. Наоборот, при номинальном режиме работы двигателя потребляемая из сети мощность уменьшается, а преобразованная мощность становится отличной от нуля

Для получения формулы скорости двигателя подставим в уравнение (6.19) значение ЭДС из соотношения (6.7). После преобразования получим:

Учитывая, что падение напряжения на сопротивлении якоря значительно меньше напряжения сети U, можно считать, что скорость вращения двигателя практически прямо пропорциональна

подводимому напряжению U и обратно пропорциональна магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что регулирование скорости вращения двигателя можно осуществлять изменением сопротивления цепи якоря (при постоянном напряжении сети) либо изменением магнитного потока. На первый взгляд может показаться странным, что увеличение магнитного потока двигателя снижает скорость его вращения (и наоборот).

Действительно, если при установившемся токе в якоре и скорости вращения уменьшить магнитный поток, то ЭДС самоиндукции уменьшится и электрическое равновесие (6.20) нарушится. Для восстановления этого равновесия при меньшем магнитном потоке якорь будет вращаться быстрее, так как ЭДС самоиндукции пропорциональна его скорости вращения. Значение вращающего момента двигателя может быть выражено той же формулой, что и для генератора (6.13).

Потребляя электрическую энергию из сети, двигатель постоянного тока развивает вращающий момент, который при установившемся режиме всегда уравновешен тормозным моментом, создаваемым нагрузкой, поэтому при увеличении механической нагрузки на валу двигателя вращающий момент оказывается меньше тормозного. Двигатель уменьшает скорость вращения, а это приводит к уменьшению ЭДС самоиндукции и увеличению потребляемого тока. При неизменном магнитном потоке ток нагрузки увеличивается до тех пор, пока не восстановится равенство вращающего и тормозного моментов.

В зависимости от способа подключения обмотки возбуждения к якорю двигатели, как и генераторы постоянного тока, различают независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

Источник

Принцип обратимости электрических машин

Правило правой руки.

помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э. д. с.

Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э. д. с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2.

В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила

Отсюда видим, что механическая мощность Fv в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность ei. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений

где и — напряжение на зажимах внешнего сопротивления;

ir — падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление r.

Умножив это уравнение на i, получим:

где иi — электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности ei, полученной в результате преобразования механической мощности);

i2r — электрические потери в проводнике.

Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение и так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на рис. 1-2 направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться

Правило левой руки.

влево. В проводнике появится э. д. с. e, направленная против тока i и против напряжения и,в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение и должно уравновесить э. д. с. е и падение напряжения в проводнике ir, т. е.

От уравнения напряжений (1-8), умножив его на i, перейдем к уравнению мощностей

В этом уравнении i2r — электрические потери в проводнике, ei — та часть подведенной электрической мощности ui, которая преобразуется в механическую мощность Fэмv, так как, учитывая (1-1) и (1-2), мы можем написать:

ei = Blvi = Fэмv. (1-10)

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.

Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Лен-цем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине.

Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.

При работе электрической машины происходит относительное перемеще-

ние проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения (рис. 1-1).

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению с первым.

Правило Ленца Правило Ленца – правило для определения направления индукционного тока: индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток. Правило правой руки — правило определяющее направление линий магнитной индукции прямолинейного проводника с током: Если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки.
Правило левой определяет направление силы, которая действует на находящийся в магнитном поле проводник с током. Если ладонь левой расположить так, чтобы в нее входили линии индукции магнитного поля, а четыре вытянутых пальца направить вдоль вектора, то отогнутый большой палец покажет направление силы, действующей на положительный заряд. На отрицательный заряд сила со стороны магнитного поля действует в противоположном направлении.

Правило правой руки
Расположите правую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а большой палец, отогнутый на 90 градусов показывал направление движения проводника относительно магнитного поля. Тогда ладонь (4 остальные пальца) покажут направление ЭДС.

Принцип обратимости электрических машин

Электрические машины обладают свойством обратимости: каждый электрический генератор может работать в качестве двигателя и наоборот, а в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. Однако каждая выпускаемая электромашиностроительным заводом вращающаяся машина обычно предназначается для одного определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансформаторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая (вторичная обмотка) – для отдачи энергии. При этом оказывается возможным наилучшим образом приспособить машину для заданных условий работы и добиться наилучшего использования материалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу массы машины.Высокие энергетические показатели электрических машин, удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на самые разные мощности, скорости вращения, а также удобство обслуживания и простота управления обусловили повсеместное их широкое распространение. 9-Активный потери и КПД АД. Энергетическая диаграмма потерь АД 9-Энергетическая диаграмма, потери и к.п.д. АД — раздел Электротехника, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА Преобразование Активной Мощности В Двигателе Связано С Потерями.

Преобразование активной мощности в двигателе связано с потерями. Они делятся на электрические, магнитные и механические.

Отобразим энергетическую диаграмму двигателя, описывая энергетические процессы, протекающие в двигателе.

– активная мощность, потребляемаядвигателем из сети.

Часть мощности теряется на нагрев обмотки статора . Другая часть мощности рассеивается на магнитные потери в сердечнике статора .Остальная мощность с помощью основного магнитного потока передается из статора в ротор и является электромагнитной мощностью двигателя. Частьэлектромагнитной мощности расходуется на нагрев обмотки ротора. Магнитные потери в сердечнике ротора малы и , а частота . Поэтому магнитные потери в сердечнике ротора не указываются. Часть электромагнитной мощности расходуется на нагрев обмотки ротора. Магнитные потери в сердечнике ротора малы и , а частота . Поэтому магнитные потери в сердечнике ротора не указываются.

– механическая мощность двигателя. Механические потери обусловлены трением вала ротора в подшипниках и сопротивлением воздуха. Уравнение баланса активной мощности имеет вид:

При проектировании и эксплуатации АД представляет интерес соотношение между активной и реактивной мощностями, называемое коэффициентоммощности:

Q₁=const, не зависит от нагрузки Р₁ повышается с повышением нагрузки, а, следовательно, повышается cosφ

КПД двигателя

10-механическая характеристика ад и ее характерные точки 10Механическая характеристика асинхронного двигателя определяется зависимостью момента сопротивления на валу двигателя от скорости вращения вала при условии, что в каждой точке механической характеристики двигатель работает в установившемся режиме Расчет механической характеристики производится по соотношению 5.2.8, связывающего величину электромагнитного момента и скольжения при заданных параметрах машины, напряжении и частоты питания.

11-устойчивая работа АД

12-влияние напряжения сети на пусковой момент АД

13-влияние активного сопротивления работа не величину пускового момента АД

Источник

23. Обратимость машин постоянного тока.

Обратимость машин. При работе машины в генераторном режиме в результате взаимодействия проводников обмотки якоря, по которым протекает ток, с магнитным потоком полюсов возникает электромагнитная сила F (правило левой руки), препятствующая вращению якоря Для преодоления этой силы к якорю генератора должна быгь постоянно приложена внешняя сила.

Если убрать внешнюю силу и, сохранив полярность полюсов, пропустить через обмотку якоря ток того же направления, то электромагнитная сила сохраняет свое направление. Под действием этой силы якорь будет вращаться в направлении, противоположном направлению вращения генератора — машина переходит в двигательный режим. Следовательно, каждая машина постоянного тока может работать в режиме как генератора, так и двигателя Это свойство электрических машин называется обратимостью.

В зависимости от способа питания обмоток возбуждения двигатели делятся на двигатели независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.

24. Явление коммутации мпт.

В широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие между щетками и коллекторными пластинами, к которым в первую очередь относится искрение, вызываемое как механическими причинами, так и электромагнитными процессами. К механическим причинам относятся: биение коллектора, вибрация щеткодержателей, трение шероховатых поверхностей щеток о выступающие коллекторные пластины, в результате чего изменяется переходное сопротивление контактов, а иногда и возникает их разрыв, сопровождающийся электрической дугой. Однако, даже при идеальных условиях механического контакта искрение может возникать вследствие электромагнитных процессов.

В более узком смысле коммутацией называется процесс изменения тока в короткозамкнутых секциях обмотки якоря при его переходе из одной параллельной ветви в другую.

Каждая из секций обмотки якоря при его вращении периодически попадает из одной параллельной ветви в другую, при этом происходит изменение направления тока в ней на противоположное. Ток параллельной ветви равен току якоря, отнесенного к числу параллельных ветвей: , а его изменение происходит за время, в течение которого щетка замыкает коллекторные пластины, к которым присоединяется коммутируемая секция. Это время называется периодом коммутации и зависит от ширины щетки и окружной скорости движения коллектора:

. (2.12)

Скорость движения коллектора велика, а ширина щеток мала, поэтому время коммутации мало и составляет в современных машинах Т_К = 0,0001 – 0,001 с. Это приводит к быстрому изменению тока, и возникновению в короткозамкнутой секции больших ЭДС самоиндукции и взаимоиндукции, которые называются реактивными:

, (2.13)

где L_c; M_c – собственная и взаимная индуктивности коммутируемой секции; i_к – коммутационный ток.

Помимо реактивной ЭДС за счет внешнего магнитного поля, характеризуемого индукцией В_К в зоне коммутации, в двух активных частях секции длиной l_a наводится ЭДС вращения, называемая также коммутационной, которая равна:

, (2.14)

где W – количество витков в коммутируемой секции.

На рис. 2.6 показаны три основные стадии процесса коммутации (для упрощения принято, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины, а изоляционное расстояние между пластинами пренебрежимо мало).

1. Щетка расположена под коллекторной пластиной 1. Ток коммутируемой секции равен току одной параллельной ветви: , и через коллекторную пластину1 к щетке протекает ток двух параллельных ветвей: . Через коллекторную пластину2 ток не протекает: .

2. Большая часть щетки расположена под коллекторной пластиной 1, а меньшая – под пластиной 2. Ток к щетке протекает через обе пластины, причем сумма токов остается неизменной: . Ток коммутации уменьшается, но знака не меняет.

3. Щетка расположена под коллекторной пластиной 2. Ток коммутируемой секции изменяет направление, и равен току одной параллельной ветви: , а через коллекторную пластину2 к щетке протекает ток двух параллельных ветвей: . Через коллекторную пластину1 ток не протекает: .

В общем случае протекающие через коллекторные пластины 1 и 2 токи определяются равенствами:

; . (2.15)

Полагая, что сопротивление коллекторных пластин пренебрежимо мало по сравнению с сопротивлением щетки, для контура коммутации можно записать следующее уравнение:

, (2.16)

где r₁, r₂ – сопротивления частей щетки, которые находятся под соответствующими коллекторными пластинами.

Подставляя в это уравнение токи i₁ и i₂, выраженные через ток параллельной ветви i_a и ток коммутации i_к, получим:

и путем решения относительно тока коммутации – уравнение, которое называется основным уравнением коммутации:

. (2.17)

ЭДС и сопротивления в этом уравнении являются функциями времени, тока и производной тока по времени, поэтому его решение возможно только при различных упрощениях.

Прямолинейная коммутация является идеальной, и имеет место в том случае, если алгебраическая сумма реактивной и коммутационной ЭДС равна нулю. Полагая, что сопротивления r₁ и r₂ обратно пропорциональны соответствующим площадям, а площади прямо пропорциональны времени t, получаем:

; . (2.18)

В результате подстановки и выражений (2.18) в основное уравнение коммутации (2.17), и сокращений получаем уравнение прямолинейной коммутации:

. (2.19)

Прямолинейная коммутация (рис. 2.7 – а) характеризуется следующими важными признаками.

1. Равномерным распределением плотности тока по всей поверхности соприкосновения коллекторных пластин со щетками.

2. В конце коммутации ток под сбегающим краем щетки равен нулю, поэтому коллекторная пластина выходит из-под щетки без разрыва цепи протекания тока.

Вследствие этого электромагнитные процессы при прямолинейной коммутации не вызывают искрения.

Действие реакции якоря, изменение частоты вращения, и другие причины приводят к тому, что реактивная и коммутационная ЭДС не равны между собой: , в результате чего коммутация становится нелинейной (рис. 2.7 – б). Полный ток коммутации согласно уравнению (2.17) представляет собой алгебраическую сумму тока линейной коммутации и добавочного тока, направление которого определяется знаком алгебраической суммы реактивной и коммутационной ЭДС:

Замедленная коммутация имеет место при . Согласно правилу Ленца реактивная ЭДС при этом препятствует изменению тока. Добавочный токi_доп увеличивает полный ток. Плотность тока под сбегающим краем щетки возрастает, а разрыв тока в коммутируемой секции происходит после того, как коллекторная пластина вышла из-под щетки, что приводит к искрению под сбегающим краем щетки.

Ускоренная коммутация имеет место, если . При этом добавочный токi_доп увеличивает полный ток и плотность тока под набегающим краем щетки, а разрыв тока в коммутируемой секции происходит до того, как коллекторная пластина выйдет из-под щетки, что приводит к искрению под ее набегающим краем.

Источник

Электрические машины постоянного и переменного тока

Машины постоянного тока могут работать в качестве генераторов и электродвигателей. Это свойство электрических машин постоянного тока называют обратимостью. Машины постоянного тока состоят из неподвижной магнитной системы (статора), в которой смонтированы обмотки возбуждения, создающие основное магнитное поле машины; якоря — вращающейся части машины, в обмотке которого индуктируется ЭДС, и коллектора, посредством которого получают выпрямленный ток в генераторах и подводят напряжение к якорю в электродвигателях.

Машины переменного тока могут работать в качестве асинхронных двигателей, синхронных генераторов переменного тока и синхронных двигателей.

Машину, преобразующую электрическую энергию в механическую, называют электрическом двигателем. Основными узлами электродвигателя являются статор и ротор. Статором называют неподвижную, а ротором – вращающуюся часть машины. В пазах статора так же, как и в пазах ротора, укладывают обмотку. Среди электрических двигателей наибольшее распространение получил асинхронный двигатель. Асинхронный двигатель – машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и фазным роторами.

Электродвигатели переменного тока бывают бесколлекторными и коллекторными. Наибольшее распространение получили как более простые, безотказные в работе и имеющие более высокий к.п.д., бесколлекторные двигатели.

Принцип работы асинхронного двигателя заключается в следующем: при подключении обмотки статора к сети трехфазного переменного тока, внутри статора создается вращающееся магнитное поле. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного ротора и индуктировать в ней э.д.с. Под действием э.д.с. в обмотке ротора будет протекать ток. Ток ротора, взаимодействуя с вращающимся магнитным полем статора, создает вращающий момент, под действием которого ротор начинает вращаться в сторону вращения поля статора.

Синхронной называется такая машина, скорость вращения которой постоянна.

Синхронные генераторы переменного тока.
Синхронные генераторы переменного тока предназначены для преобразования механической энергии первичных двигателей (турбины, электродвигателя и т.п.) в электрическую. Генератор состоит из статора и ротора. Часть генератора, в которой индуктируется э.д.с. и проходит рабочий ток, называют якорем, а другую часть, которая создает магнитное поле – индуктором.

В основу работы синхронных генераторов положен закон электромагнитной индукции. В связи с тем, что принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле или наоборот, конструктивно синхронные генераторы изготовляют двух видов.

В одном случае магнитные полюсы (обмотку возбуждения) помещают на статоре и питают их обмотку постоянным током, а проводники (обмотку якоря) располагают на роторе, с которых снимают переменный ток при помощи колец и щеток. Во втором случае магнитные полюсы устанавливаются на роторе, а обмотки якоря – на статоре.

Синхронные двигатели.
Синхронный генератор может работать как электрической двигатель. В этом случае двигатель называют синхронным. Синхронные двигатели применяются реже, чем асинхронные.

Источник