Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

Реферат

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГАОУ ВПО Уральский Федеральный Университет

имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Кафедра ЭЭТС

Реферат

Электрические двигатели и генераторы постоянного тока

Екатеринбург 2011

Основные определения и технические данные электрических машин

Значительное разнообразие типов и конструкций электрических машин, необходимость оценки и сравнения их характеристик привели к стандартизации основных понятий и определений, параметров и режимов работы машин.

Установленные термины и определения этих величин являются обязательными для применения в документации всех видов, учебниках, учебных пособиях, технической и справочной литературе. Ниже приводятся основные из них, относящиеся ко всем типам вращающихся электрических машин независимо от их назначения и конструктивного исполнения.

Номинальными данными электрической машины называют данные, характеризующие ее работу в режиме, для которого она предназначена заводом-изготовителем. К номинальным данным относятся мощность, напряжение, ток, частота, КПД, коэффициент мощности, частота вращения и ряд других специфических данных в зависимости от типа и назначения машины.

Номинальные данные характеризуют условия работы машины, установленной на высоте до 1000 м над уровнем моря, при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия и охлаждающей воды 30 градусов Цельсия, если в стандартах или технических условиях на данный конкретный тип машины не установлена другая температура охлаждающей среды.

Режим работы электрической машины — установленный порядок чередования и продолжительности нагрузки, холостого хода, торможения, пуска и реверса машины во время ее работы. Номинальным режимом работы называется режим, для работы в котором электрическая машина предназначена.

Номинальная мощность — мощность, для работы с которой в номинальном режиме машина предназначена. Для различных типов машин номинальной мощностью является:

  • Для генераторов переменного тока — полная электрическая мощность на выводах при номинальном коэффициенте мощности, В·А;
  • Для генераторов постоянного тока — электрическая мощность на выводах машины, Вт;
  • Для двигателей переменного и постоянного тока — механическая мощность на валу, Вт;
  • Для синхронных и асинхронных компенсаторов — реактивная мощность на выводах компенсатора, вар.

Номинальное напряжение — напряжение, на которое машина рассчитана для работы в номинальном режиме с номинальной мощностью. Номинальным напряжением трехфазных машин является линейное напряжение.

12 стр., 5534 слов

Контрольная работа: Назначение и конструктивные особенности асинхронных ...

... тока, и с трехфазной или многофазной симметричной разноименнополюсной обмоткой на роторе. Машины такого исполнения называют просто «асинхронными машинами», в то время как асинхронные машины иных исполнений относятся к «специальным асинхронным машинам». Асинхронные машины ...

Номинальным напряжением ротора асинхронного двигателя с трехфазной обмоткой называют напряжение на выводах разомкнутой обмотки ротора при включенной на номинальное напряжение обмотке статора.

Номинальный ток — ток, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальное напряжение возбуждения — напряжение на выводах обмотки возбуждения машины с учетом падения напряжения под щетками при питании ее номинальным током возбуждения.

Номинальный ток возбуждения — ток возбуждения, соответствующий работе машины в номинальном режиме с номинальной мощностью и частотой вращения при номинальном напряжении.

Номинальная частота вращения — частота, соответствующая работе машины при номинальных напряжении, мощности тока и номинальных условиях применения.

Номинальные условия применения — условия, установленные стандартом на данный конкретный тип машины при номинальной частоте вращения.

Коэффициент полезного действия — отношение полезной мощности к затрачиваемой; для генераторов — отношение активной электрической мощности, отдаваемой в питающую сеть, к затрачиваемой механической мощности; для двигателей — отношение полезной механической мощности на валу к активной подводимой электрической мощности. Номинальный КПД — указанное отношение мощностей при работе машины с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Коэффициент мощности машин переменного тока: для генераторов — отношение отдаваемой активной электрической мощности, Вт, к полной отдаваемой электрической мощности, В А; для двигателей — отношение активной потребляемой электрической мощности, Вт, к полной потребляемой электрической мощности, В А. Номинальный коэффициент мощности электрической машины — указанное отношение мощностей при работе машины в номинальном режиме, с номинальными мощностью, напряжением, частотой тока и частотой вращения.

Основные определения, относящиеся к условиям работы машины и ее характеристикам следующие.

Нагрузка — мощность, которую развивает электрическая машина в данный момент времени. Нагрузка может выражаться током, потребляемым или отдаваемым электрической машиной. Номинальная нагрузка соответствует номинальной мощности машины.

Практически неизменная нагрузка — нагрузка, при которой отклонение тока, напряжения и мощности машины от значений, соответствующих заданному режиму, составляет не более 3%, тока возбуждения и частоты — не более 1 %.

Симметричная трехфазная система напряжений — трехфазная система напряжений, в которой напряжение обратной последовательности не превышает 1 % напряжения прямой последовательности.

Симметричная система токов — трехфазная система, для которой ток обратной последовательности не превышает 5% тока прямой последовательности.

5 стр., 2365 слов

Ремонт машин переменного тока

... номинального напряжения машины, а площадь сечения их от мощности машины. Иногда при ремонте обмоток эл машины ... концы обмоток статора. асинхронный электродвигатель ремонт неисправность Неисправности эл. двигателей ... работает при номинальной нагрузке на валу, с частотой вращения меньше номинальной, ток в ... электрической и механической прочности, влагостойкости и нагревостойкости. Обмоткой эл. машины ...

Начальный пусковой ток электродвигателя — установившийся ток при неподвижном роторе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте, соответствующих номинальным условиям работы двигателя.

Начальный пусковой момент электродвигателя — вращающий момент, развиваемый при неподвижном роторе, установившемся токе, номинальном подведенном напряжении и номинальной частоте.

Максимальный вращающий момент электродвигателя переменного тока — наибольший момент, развиваемый в установившемся режиме при номинальных напряжении и частоте, при соединении обмоток двигателя, соответствующем номинальным условиям работы.

Минимальный вращающий момент асинхронного двигателя — наименьший момент, развиваемый асинхронным двигателем с короткозамкнутым ротором. В процессе разгона от неподвижного состояния до частоты вращения, соответствующей максимальному моменту при номинальных напряжении и частоте.

Критическое скольжение асинхронной машины — скольжение, при котором машина развивает максимальный вращающий момент.

Номинальное изменение напряжения электрических генераторов — изменение напряжения на выводах генератора, работающего на автономную сеть с неизменной и равной номинальной частотой вращения при изменении его нагрузки от номинальной до холостого хода.

Номинальное изменение частоты вращения электродвигателя — изменение частоты вращения двигателя, работающего при номинальном напряжении и номинальной частоте тока, при изменении нагрузки от номинальной до нулевой.

Надежность конструкции электрических машин определяется как свойство электрических машин сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и в условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения , и транспортирования.

Безотказность — свойство электрической машины непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или наработки.

Ремонт — экономически оправданный комплекс работ для восстановления работоспособности электрической машины путем замены изношенных элементов.

Межремонтный период — наработка электрических машин между двумя плановыми ремонтами.

Ремонтопригодность — приспособленность электрической машины к выполнению ремонтов для предупреждения и устранения отказов.

Резервирование — повышение надежности электрических машин введением избыточных, т. е. дополнительных средств и возможностей сверх минимально требуемых.

Модернизация — приведение характеристик находящихся в эксплуатации электрических машин в соответствие современными требованиями и улучшение их технических характеристик путем внедрения частичных изменений и усовершенствований.

К понятиям, характеризующим эксплуатацию электрических машин, относятся также понятия из области надежности (отказ, наработка, безотказность, работоспособность, ресурс, срок службы).

Электродвигатель постоянного тока — электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии постоянного тока в механическую.

Электродвигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока, так как электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

6 стр., 2611 слов

Технология ремонта якоря тягового электродвигателя

... системы постоянного тока в то время была возможность применения коллекторных двигателей постоянного тока, обладающих превосходными тяговыми и ... одним из трудоемких узлов в ремонте является тяговый электродвигатель локомотива. Восстановительный процесс должен ... строжайшее соблюдение установленной технологии является непременным условием безотказной работы тягового подвижного состава. Основным ...

При подаче постоянного напряжения к зажимам электрической машины постоянного тока в обмотках возбуждения и якоря возникает ток. В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения в магнитопроводе статора, возникает электромагнитный момент электродвигателя, под действием которого якорь приходит во вращение. При этом электромагнитный момент, развиваемый двигателем, где см — коэффициент, зависящий от конструкции обмотки якоря и числа полюсов электродвигателя; Ф — магнитный поток одной пары главных полюсов электродвигателя; Iя — ток якоря двигателя.

При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий наводится ЭДС, которая при работе машины в режиме двигателя направлена против тока якоря и, так же как и при работе машины в режиме генератора, равна где n — частота вращения якоря электродвигателя; се — коэффициент, зависящий от конструктивных элементов машины.

Для изменения направления вращения электродвигателя постоянного тока необходимо изменить полярность напряжения, подводимого к якорю или обмотке возбуждения. В зависимости от способа включения обмотки возбуждения различают электродвигатели постоянного тока с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.

У двигателей с параллельным возбуждением обмотка рассчитана на полное напряжение питающей сети и включается параллельно цепи якоря.

Двигатель с последовательным возбуждением имеет обмотку возбуждения, которая включается последовательно с якорем, поэтому эта обмотка рассчитана на полный ток якоря.

Двигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки, одна включается параллельно, другая — последовательно с якорем.

При пуске электродвигателей постоянного тока (независимо от способа возбуждения) путем прямого включения в питающую сеть возникают значительные пусковые токи, которые могут привести к выходу их из строя. Это происходит в результате выделения значительного количества теплоты в обмотке якоря и последующего нарушения ее изоляции. Поэтому пуск двигателей постоянного тока производится специальными пусковыми приспособлениями. В большинстве случаев для этих целей применяется простейшее пусковое приспособление — пусковой реостат. Процесс пуска электродвигателя постоянного тока с пусковым реостатом показав на примере двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением.

Исходя из уравнения, составленного в соответствии со вторым законом Кирхгофа для правой части электрической цепи, ток якоря

В начальный момент пуска электродвигателя частота вращения якоря n = 0, поэтому противоэлектродвижущая сила, наводимая в обмотке якоря, в соответствии с полученным ранее выражением также будет равной нулю (Е=ceФn=0).

Сопротивление обмотки якоря Rя — величина довольно малая. Для того чтобы ограничить возможный при этом недопустимо большой пусковой ток в цепи якоря, последовательно с якорем независимо от способа возбуждения двигателя включается пусковой реостат (пусковое. сопротивление Rпуск).

4 стр., 1817 слов

Принцип работы машин постоянного тока конструкция машин постоянного тока

... возбуждения, неизменен во времени. Рис. 1. Поперечный разрез машины постоянного тока с кольцевой обмоткой якоря Конструкция машин постоянного тока Ста-тор машины по-стоянного тока ... тока. Самовозбуждение генератора протекает так же, как и у генератора параллельного возбуждения. Ток якоря ... направле-нием вращения. Щетки ... что правильно спроектированная и качественно изготовлен-ная машина постоянного тока ...

В этом случае пусковой ток якоря.

Сопротивление пускового реостата Rпуск рассчитывают для работы только на время пуска и подбирают таким образом, чтобы пусковой ток якоря электродвигателя не превышал допустимого значения. По мере разгона электродвигателя ЭДС, наводимая в обмотке якоря, вследствие возрастания частоты его вращения n возрастает (Е=сenФ), ток якоря при прочих равных условиях уменьшается, и сопротивление пускового реостата Rпуск необходимо постепенно уменьшать. После окончания разгона двигателя до номинального значения частоты вращения якоря ЭДС возрастает настолько, что пусковое сопротивление может быть сведено к нулю, без опасности значительного возрастания тока якоря.

Таким образом, пусковое сопротивление Rпуск в цепи якоря необходимо только при пуске. В процессе нормальной работы электродвигателя оно должно быть отключено, поскольку, во-первых, рассчитано на кратковременную работу во время пуска, а во-вторых, при наличии пускового сопротивления в нем будут возникать тепловые потери мощности, равные, существенно снижающие КПД электродвигателя.

Для электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, в соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи (см. рис. 9.29) уравнение электрического равновесия имеет вид E=U — RяIя.

Из него следует, что при отсутствии нагрузки на валу и токе якоря Iя=0 частота вращения электродвигателя при данном значении питающего напряжения n=U/ceФ=n0

Частота вращения электродвигателя n0 является частотой вращения идеального холостого хода. Кроме параметров электродвигателя она зависит также от значения подводимого напряжения и магнитного потока. С уменьшением магнитного потока при прочих равных условиях частота вращения идеального холостого хода возрастает, поэтому в случае обрыва цепи обмотки возбуждения, когда ток возбуждения становится равным нулю, магнитный поток двигателя снижается до значения, равного значению остаточного магнитного потока Фост. При этом двигатель «идет в разнос», развивая частоту вращения, намного большую номинальной, что представляет определенную опасность как для двигателя, так и для обслуживающего персонала.

Частотная (скоростная) характеристика электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением nIя при постоянном значении магнитного потока ф=const и постоянном значении подводимого напряжения U = const имеет вид прямой 1. С увеличением нагрузки па валу, т. е. с увеличением тока якоря Iя, частота вращения электродвигателя уменьшается на значение, пропорциональное падению напряжения на сопротивлении цепи якоря Rя.

Для электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением уравнение электрического равновесия по второму закону Кирхгофа имеет вид U=E+(Rя+Rв)Iя, где Rв — сопротивление обмотки последовательного возбуждено двигателя.

С учетом того, что Е=сenФ, уравнение частотной характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением приводится к следующему виду:

Из уравнения также видно, что с уменьшением нагрузки, т. е. с уменьшением тока якоря и, как следствие этого, с уменьшением магнитного потока частота вращения двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением резко возрастает, достигая большого значения при отсутствии нагрузки. Поэтому двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением «идут в разнос» в режиме холостого хода.

15 стр., 7277 слов

Техническая эксплуатация и ремонт двигателей постоянного тока

... некоторые важные вопросы пуска и работы двигателей постоянного тока. Из уравнения электрического состояния двигателя следует, что I я = (U -- E)/Rя (11) В рабочем режиме ток якоря I я ... в машине кругового огня.[3] 1.3 Момент двигателя постоянного тока Если обмотку возбуждения и якорь двигателя подключить к сети постоянного тока напряжением U то, возникает электромагнитный вращающий момент М ...

Двигатель постоянного тока со смешанным возбуждением, кроме обмотки параллельного возбуждения, магнитный поток которой Ф1=const при постоянном значении напряжения U=const, имеет последовательную обмотку возбуждения, магнитный поток Ф2 которой зависит от тока якоря, т. е. от его нагрузки. В соответствии со вторым законом Кирхгофа для якорной цепи электродвигателя со смешанным возбуждением уравнение электрического равновесия и уравнение частотной характеристики имеют такой же вид, как и соответствующие уравнения, записанные для двигателя с последовательным возбуждением. Вследствие того что электродвигатели со смешанным возбуждением имеют две обмотки возбуждения, результирующий магнитный поток оказывается равным сумме магнитных потоков, создаваемых последовательной и параллельной обмотками возбуждения:

Ф=Ф1+Ф2,

где Ф1 и Ф2 — магнитные потоки, создаваемые параллельной и последовательной обмотками возбуждения.

Благодаря наличию двух обмоток возбуждения (последовательной и параллельной) свойства электродвигателей постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой нечто среднее между свойствами двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Поэтому частотная характеристика электродвигателя со смешанным возбуждением, располагается между частотными характеристиками двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением. Электродвигатели со смешанным возбуждением обладают улучшенными характеристиками по сравнению с двигателями с последовательным возбуждением и при отсутствии нагрузки на валу не «идут в разнос», так как частота вращения ограничивается при этом частотой вращения идеального холостого хода: n0=U/ceФ2.

Пренебрегая влиянием реакции якоря в процессе изменения нагрузки на валу, можно принять электромагнитный момент двигателя пропорциональным току якоря. Поэтому механические характеристики двигателей постоянного тока имеют такой же вид, как и соответствующие частотные характеристики. Электродвигатель с параллельным возбуждением имеет жесткую механическую характеристику (кривая 1), его частота вращения с ростом момента нагрузки снижается незначительно, так как ток возбуждения при параллельном включении обмотки возбуждения и соответственно магнитный поток двигателя остаются практически неизменяемыми, а сопротивление цепи якоря относительно мало.

Двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением имеют мягкую механическую характеристику (кривая 2), поскольку с изменением момента нагрузки на валу изменяется ток якоря, а следовательно, и магнитный поток двигателя.

Двигатели постоянного тока со смешанным возбуждением имеют более мягкую механическую характеристику (кривая 3), чем двигатели с параллельным возбуждением, и более жесткую, чем двигатели с последовательным возбуждением.

Одной из важных характеристик электродвигателей постоянного тока является моментовая характеристика, т. е. зависимость электромагнитного момента от тока поля двигателя М (Iя).

Для двигателей с параллельным возбуждением эта зависимость определяется выражением М =смФIя. Пренебрегая влиянием реакции поря для этих двигателей, можно принять Ф=const, вследствие чего зависимость М(Iя) при U=const представится в виде прямой, проходящей через начало координат.

32 стр., 15990 слов

Проектирование тяговой подстанции переменного тока

... коммутационной (выключатели переменного и постоянного тока, разъединители, короткозамыкатели) и вспомогательной аппаратурой, большая часть которой работает в режиме автотелеуправления. Насыщенность тяговых подстанций разнообразной по ... 220 В: Ток длительной нагрузки 40 А. Ток аварийной нагрузки 24 А. 2. Составление однолинейной схемы главных электрических соединений тяговой подстанции. Схема главных ...

Для двигателей с последовательным возбуждением зависимость М(Iя) является более сложной, так как входящий в выражение М = смФIя магнитный поток является функцией тока поря. При некоторых допущениях для этих двигателем можно принять, что, где k — соответствующий коэффициент пропорциональности.

В результате моментовая характеристика двигателей постоянного тока с последовательным возбуждением представится в виде квадратичной зависимости, проходящей через начало координат (кривая 1).

Рабочие характеристики двигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря Iя и КПД з от полезной мощности на валу Р2 электродвигателя, т. е. n(Р2), М(Р2), Iя(Р2), з(Р2) при неизменном значении напряжения на его зажимах U=const.

Анализ рабочих характеристик электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показывает, что частота их вращения n с увеличением нагрузки несколько уменьшается. Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки Р2 представляет собой почти прямую линию, так как момент двигателя пропорционален нагрузке на валу: М = 9550P2/n. Искривление указанной зависимости объясняется некоторым снижением частоты вращения с увеличением нагрузки. При Р2=0 ток, потребляемый электродвигателем, равен току холостого хода. При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем, ток якоря увеличивается приблизительно по той же зависимости, что и момент нагрузки на валу, так как при условии Ф=соnst ток поря пропорционален моменту нагрузки.

КПД электродвигателя с увеличением мощности на валу быстро нарастает и достигает максимального значения, когда переменные потери мощности в электродвигателе оказываются равными постоянным потерям в нем, т. е. при Рм=Рэв+Рэя+Рмех+Рдоб.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением имеют несколько другой вид по сравнению с рабочими характеристиками двигателя с параллельным возбуждением, так как с изменением нагрузки на валу (мощности P2) изменяется и магнитный поток.

Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой зависимости, занимающие в прямоугольной системе координат некоторое среднее положение между рабочими характеристиками двигателей с параллельным и последовательным возбуждением.