Определение параметров машины постоянного тока

Расчёт машин постоянного тока

Задание: законспектировать, отвеить на контрольне вопросы

Лекция

Тема:Расчёт машин постоянного тока.

План лекции

Расчёт машин постоянного тока

Ключевые слова: машина постоянного тока, расчёт

Литература: Б.С. Гершунский «Электротехника с основами промышленной электроники п.10.2

В соответствии с принципом обратимости машина постоянного тока может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Уравнение ЭДС для двигателя составлено на основании 2-го закона Кирхгофа с учетом направления ЭДС:

В соответствии о формулой Еа = Се Ф n частота вращения определяется выражением:

т.е. частота вращения двигателя прямо пропорциональна подведенному напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения.

Из этой формулы видно, что возможны пути регулирования частоты вращения двигателя постоянного тока:

1. Изменением напряжения сети U. Регулируя подаваемое напряжение Uсети можно менять частоту вращения.

2. Включением в цепь якоря добавочного сопротивлению (R’Я = RЯ + RДОБ). Изменяя сопротивление RДОБ, меняют частоту вращения.

3. Изменением магнитного потока Ф. Машины с постоянными магнитами не регулируются. Машины с электромагнитами позволяют регулировать поток Ф путем изменения тока возбуждения IB.
На рис. 1 показана схема включения в сеть двигателя постоянного тока.

Рис. 1 Схема включения двигателя постоянного тока

По закону электромагнитной индукции при прохождении тока по обмотке якоря происходит взаимодействие ее проводников с магнитным полем полюсов. На каждый проводник обмотки будет действовать электромагнитная сила Рэм = ВСРLI, пропорциональная магнитной индукции полюсов В, длине проводника L и току I, протекающему по проводнику.
Направление действия этой силы определяется правилом правой руки.
Не повторяя рассуждений, проведенных для генератора постоянного тока, запишем выражение для вращающего момента:

Вращающий момент у двигателей с независимым и параллельным возбуждением с увеличением нагрузки может как расти, так и уменьшаться, поскольку с ростом потребляемого тока I и размагничивания полюсов, уменьшается магнитный поток Ф.

Двигатели с последовательным возбуждением имеют отличные от вышеприведенных двигателей характеристики.
Из схемы, приведенной на рис. 24.1 в, видно, что магнитный поток в машине создается обмоткой возбуждения, включенной последовательно с обмоткой якоря. Следовательно, IB = IЯ и выражение для вращающего момента будет иметь вид:

Последняя формула показывает, что чем больше нагрузка на двигатель, тем большим будет вращающий момент. Это обстоятельство делает двигатель с последовательным возбуждением незаменимым на электротранспорте (трамвае, троллейбусе и т.д.).

Реверсирование или изменение направления вращения двигателей постоянного тока может осуществляться изменением полярности тока либо в обмотке якоря, либо в обмотке возбуждения.

1. Как осуществляется реверсирование двигателей постоянного тока?

2. Какие существуют пути регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока?

3. Может ли машина постоянного тока работать в режиме генератора и в режиме двигателя?

Источник

Характеристики машин постоянного тока

Рассмотрим лишь основные характеристики, которые необходимы как для технической эксплуатации, так и для правильного обеспечения действующих и проектируемых электрифицированных технологических процессов.

Рис.1.4 Рабочие характеристики машины постоянного тока в двигательном режиме

где : R_я – полное активное сопротивление якоря;

С_е и С_м – конструктивные константы ДПТ

то скорость ДПТ в этом частном случае будет определяться зависимостью:

(1.11)

Из аналитической зависимости механической характеристики ω(М) (1.11) видно, что при U = const., I_B = const и R_Я = const для ДПТ независимого (параллельного) возбуждения она есть прямая в отрезках 1(см рис.1.5).

Для сравнения с естественной механической характеристикой 1 на рис.1.5 показаны естественные характеристики ДПТ последовательного2 и смешанного 3 возбуждения. Видно, что ДПТ с последовательным возбуждением при холостом ходе имеет бесконечную скорость вращения, при которой якорь машины выходит из строя. Поэтому ДПТ с последовательным возбуждением можно применять в приводах таких рабочих машин и механизмов, которые постоянно нагружают двигатель, например, механизмы позиционирования транспортного оборудования, вентиляторы, компрессоры.

Рис.1.5 Механические характеристики двигателей постоянного тока

Аналитическое выражение механических характеристик ДПТ независимого или параллельного возбуждения (1.11) показывает, что регулирование скорости при неизменной нагрузке М можно осуществлять на основе трех принципов:

1. за счет изменения напряжения сети U при неизменных магнитном потоке Ф и сопротивлении якоря R_Я:

(1.12)

2. за счет изменения тока возбуждения I_B при неизменных напряжении U и сопротивлении R_Я:

(1.13)

3. за счет изменения сопротивления цепи якорной обмотки при неизменных напряжении U и магнитном потоке Ф:

(1.14)

2. Пример определения параметров и естественной механической характеристики ДПТ по его каталожным данным и анализ нагрузочных режимов

Алгоритм расчета

1. Электрический ток в обмотке якоря при номинальном режиме двигателя (А)

(2.1)

2. Номинальный коэффициент полезного действия

(2.2)

3. Электрическое сопротивление эквивалентного якоря (Ом)

(2.3)

(2.4)

где n – скорость вращения якоря, об/мин

5. Величина противоЭДС (В), индуктируемая в обмотке якоря при номинальном основном параметре

(2.5)

6. Номинальная электромагнитная мощность (Вт)

(2.6)

7. Вращающий момент электромагнитного происхождения при номинальной нагрузке (Н • м)

(2.7)

(2.8)

(2.9)

Рис.2.1 Результаты расчета естественной механической характеристики ДПТ по его каталожным данным

(2.10)

где J – момент инерции ДПТ

12. Время разгона привода (с) с принятым двигателем от скорости покоя ω = 0 до скорости номинального режима ω = ω_H

(2.11)

13. Кинетическая энергия (Дж) вращающихся частей привода при номинальном режиме

(2.12)

14. Потери электроэнергии (Дж) в приводе при пуске системы ДПТ –

РМ от ω = 0 до ω = ω_H

(2.13)

15. Электрическая энергия (Дж), поступающая из сети к ДПТ за время пуска,

(2.14)

16. Средняя мощность потребления энергии из сети при пуске, (Вт)

(2.15)

17. Сопоставление средней пусковой мощности с мощностью номинального режима:

(2.16)

Примечание. Здесь целесообразно остановиться и сделать выводы в направлениях:

• оценки момента короткого замыкания по сравнению с номинальным вращающим моментом;

• сравнения мощности пуска с номинальной установленной мощностью потребления энергии ДПТ из сети.

Анализ режимов

Расчет параметров и построение естественной механической характеристики выполнены с результатами:

Зависимости Р(М, ω) и η_C(М, ω) по данным графика естественной ме­ханической характеристики ДПТ получаются также при использовании аналитического выражения (1.11)

(2.17)

(2.18)

(2.19)

Обобщение и выводы

Технические возможности МПТ определяются их электромеханическим состоянием и статическими характеристиками: внешними, регулировочными, рабочими и механическими. Зависимость КПД от нагрузки определяется скоростью постоянных (магнитных) и переменных (электрических и механических) потерь в машине, а ее вид подобен графику (см. рис.1.4 ) и понятен из соотношений (1.11).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Источник

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

ТУРБОГЕНЕРАТОРЫ.

Общие данные.

Турбогенераторы – это мощные, высокоскоростные (как правило, 3000 об./мин.) неявнополюсные СГ, приводом которых является паровая или газовая турбина. Принцип действия практически ничем не отличается от принципа действия СГ общепромышленного использования, описанных ранее. Главное конструктивное отличие заключается в:

1. конструкции корпуса (станины);

2. сложных конфигурациях систем охлаждения.

По системе охлаждения турбогенераторы подразделяются на:

2. с косвенным водородным;

3.с водородным водяным;

4.непосредственно водородным;

5.с полным водяным.

Выпускаются ограниченными сериями. Данные основных турбогенераторов используются в энергетике России приведены в таблице.

Электрические машины, обмотка якоря которых связана с внешней сетью постоянного тока через коллектор (механический выпрямитель), называются машинами постоянного тока.

Машины постоянного тока относятся к обратимым, т.е. работают как в двигательном, так и в генераторном режиме. В качестве двигателя используются в электрическом транспорте, в электрических приводах с плавным регулированием частоты вращения в большом диапазоне, в металлургических приводах. В режиме генератора используются для питания локальных сетей промышленного и транспортного назначения, для питания автономных промышленных и технологических установок, для питания обмотки возбуждения станционных синхронных генераторов (СГ).

Устройство машины постоянного тока.

Основными элементами устройства машины постоянного тока являются корпус, проводящий основной магнитный поток. На корпусе (остове) крепятся основные и дополнительные полюса. Основные полюса питаются постоянным током и предназначены для создания основного магнитного потока машины постоянного тока. Дополнительные полюса предназначены для уменьшения искрения при коммутации секций обмотки якоря машины постоянного тока.

Ротор (якорь) представляет собой цилиндр, набранный из листов электротехнической стали, в пазы которого укладывается обмотка якоря, по которой протекает переменный ток. Выводы секции обмотки якоря соединены с коллекторными пластинами. Коллектор состоит из, изолированных друг от друга и от втулки, медных коллекторных пластин. Токосъем с коллектора осуществляется при помощи графитовых щеток, укрепленных на специальных траверсах и прижимаемых к коллекторным пластинам нажимаемыми пружинами. Провода от щеток выводятся на клеммы коробки выводов машины постоянного тока.

Принцип действия машины постоянного тока.

В генераторном режиме постоянное напряжение подается на главные полюса, далее якорь (ротор) приводится во вращение при помощи приводного двигателя. При вращении якоря в постоянном поле в проводниках якоря наводится ЭДС. Проводники каждой секции обмотки якоря при переходе соответствующих им коллекторных пластин через щеточный контакт изменяют свою полярность относительно основного магнитного поля. То есть ток в них меняет свое направление на обратное. Вместе с тем направление тока между коллекторными пластинами остается неизменно.

Процесс изменения направления тока в секциях якорной обмотки при их переходе через щеточный контакт называется коммутацией. При переключении контуров в процессе коммутации возникает энергия разрыва, сопровождаемая процессом искрения в месте щеточно-коллекторного контакта. Для сглаживания энергии, вызывающей искрения, используются компенсирующие магнитные поля, создаваемые дополнительными полюсами.

Величина ЭДС обмотки якоря машины постоянного тока определяется формулой:

(1)

-постоянная, зависящая от конструкции.

Величина момента, развиваемого якорем машины постоянного тока, определяется формулой:

(2)

Уравнения баланса напряжений и ЭДС имеют вид:

(3)

(4)

Магнитная цепь машины постоянного тока.

Состоит из следующих участков (путь магнитного потока):

— ярма основного полюса;

— ярма другого главного полюса;

— полюсного наконечника другого полюса;

— воздушного зазора другого полюса;

Расчет магнитной цепи машины постоянного тока производится по методике, совершенно аналогичной магнитной цепи синхронной машины (СМ).

Пуск двигателя постоянного тока (ДПТ).

При пуске двигателя постоянного тока возникает стандартная проблема броска пускового тока. Действительно из формул (1) и (3) можно получить выражение для величины тока в обмотке якоря двигателя постоянного тока:

(5)

Рассмотрим пример: Пусть U=220 В, E=200 В, ∑Ra=10 Ом. При этом в номинальном режиме Ia=2 А. В момент пуска, когда n=0→Ea=0, ток якоря при пуске Iaп=22 А, т.е. кратность пускового тока – 11. При этом двигатель постоянного тока нельзя пускать на прямую, как АД, несмотря на кратковременность пуска из-за пониженной надежности коллекторно-щеточного контакта. Для уменьшения кратности Ia в обмотку якоря двигателя постоянного тока при пуске включают дополнительное сопротивление Rп. При этом величина Rп выбирается таким образом, чтобы кратность пускового тока не превышала 3-4.

Характеристики генератора постоянного тока.

Существуют следующие системы питания обмотки возбуждения:

1) 2)

3) 4)

ГПТ с последовательно включенной обмоткой возбуждения практически не применяются из-за нестабильного вида внешней характеристики, обусловленного большим влиянием тока нагрузки на величину выходного напряжения.

Наиболее распространенным является ГПТ с параллельно включенной обмоткой возбуждения.

К характеристикам ГПТ относятся:

1. характеристика Х.Х.;

2. нагрузочная характеристика;

3. внешняя характеристика;

4. регулировочная характеристика.

Для генератора с независимым возбуждением возможно задание направления тока в обмотке возбуждения обоих полярностей. Т.е. в отличие от генератора с параллельным включением обмотки возбуждения направление тока в обмотке возбуждения генератора с независимым возбуждением не влияет на эффективность его работы.

Нагрузочная характеристика U=f(Iв) при Ia=Iн.

Внешняя характеристика U=f(Iа) при Iв=const.

Регулировочная характеристика Iв=f(Iа) при U=const.

Характеристики внешние и регулировочные по своему виду принципиально не отличаются от характеристик ГПТ с последовательным.

Генератор со смешенно включенной обмоткой возбуждения.

В этой системе главную роль играет параллельная обмотка возбуждения, в то время как последовательная обмотка используется для компенсации реакции якоря и снижения напряжения с ростом нагрузки. При этом характеристика Х.Х. и нагрузочная имеют принципиально аналогичный вид, соответствующий характеристикам генератора с параллельным включением. Вместе тем внешняя и регулировочная отличаются.

Генераторы со смешанным возбуждением проектируются так, чтобы их ЭДС Х.Х. была максимально приближена к номинальному напряжению при токе обмотки возбуждения. При этом параметры последовательной обмотки подбирают таким образом, чтобы при Ia=Iн, U=Uн (Rв=const). Такие генераторы называются нормально компацидированными.

Характеристики двигателей постоянного тока.

К основным характеристикам ДПТ относятся скоростные и регулировочные.

Их вид существенно зависит от схемы включения обмотки возбуждения.

Скоростная характеристика n=f(Ia), Iв=const,U=const, f=const.

При последовательной обмотке возбуждения ДПТ нельзя пускать в ход без нагрузки на валу из-за резкого увеличения оборотов.

Соответствующие скоростным регулировочные характеристики имеют вид:

Зависимость КПД от нагрузки для ДПТ принципиально не отличается от соответствующих зависимостей для АД с КР. Но величина КПД для двигателей сопоставима мощности у ДПТ на несколько % ниже, чем у АД из-за потерь в обмотке возбуждения и коллекторно-щеточном контакте.

Источник