Электрические машины и аппараты. Часть 1: Методические указания к лабораторным работам

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Кафедра электромеханики

М.И. ЦИКАНОВСКАЯ, С.В. МИТРОФАНОВ

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И АППАРАТЫ ЧАСТЬ 1 МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

Рекомендовано к изданию Редакционно-издательским советом государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования – «Оренбургский государственный университет»

Оренбург 2003

ББК 31.26я73 Ц 59 УДК 621.313(075)

Рецензент кандидат технических наук, доцент А.М. Кутарёв

Ц 59

Цикановская М.И., Митрофанов С.В. Электрические машины и аппараты. Часть 1: Методические указания к лабораторным работам. – Оренбург: ГОУВПО ОГУ, 2002. – 44 с.

Методические указания предназначены для студентов неэлектротехнических специальностей. Содержат описание лабораторных работ по разделу “Электрические машины” курса “Электрические машины и аппараты”.

ББК 31.26я73

 Цикановская М.И., Митрофанов С.В., 2003  ГОУВПО ОГУ, 2003 2

Введение Лабораторные работы по дисциплине “Электрические машины и аппараты” являются одним из видов учебных занятий, обеспечивающих связь между теорией и практикой, знакомящих студентов с конструкциями электрических машин и аппаратов, в данном случае электрических машин. Основной задачей лабораторных занятий является проработка и закрепление лекционного материала. Также важным является обучение студентов методике эксперимента, обработке экспериментальных исследований, их анализу и сравнению с теоретическими положениями. Данное руководство может быть использовано как дополнительный материал к лекционному курсу.

3

1 Лабораторная работа № 1 Исследование трансформатора 1.1 Цель работы Изучить принцип действия и устройство трансформатора. Определить выводы и с помощью вольтметра произвести маркировку обмоток высшего напряжения (ВН). Произвести маркировку обмоток низшего напряжения (НН) в соответствии с маркировкой обмоток ВН. Определить коэффициент трансформации. 1.2 Предмет исследования 1.2.1 Определение и классификация трансформаторов Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или большее число индуктивно связанных обмоток и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем переменного тока в одну или несколько других систем переменного тока. Классифицируют трансформаторы по нескольким признакам: а) по назначению: 1) трансформаторы для передачи и распределения электрической энергии (силовые). На электростанциях генераторы переменного тока вырабатывают электрическую энергию при напряжении от 6 до 24 кВ. Для передачи электроэнергии на большие расстояния повышается напряжение до 110, 220, 330, 400, 500 и 750 кВ, с целью уменьшения потерь. Поэтому на каждой электростанции устанавливают трансформаторы, осуществляющие повышение напряжения. Распределение электрической энергии между промышленными предприятиями, населенными пунктами производится по воздушным и кабельным линиям при напряжении 220, 110, 35, 20, 10 и 6 кВ. Следовательно, во всех узлах распределительных сетей должны быть установлены понижающие трансформаторы. Понижающие трансформаторы устанавливаются также в пунктах потребления электроэнергии, так как большинство электрических потребителей переменного тока работает при напряжениях 220, 380 и 660 В; 2) для обеспечения нужной схемы включения вентилей в преобразовательных устройствах и согласования напряжений на выходе и входе преобразователя; 3) для различных технологических целей: сварки (сварочные трансформаторы), питания электротермических установок (электропечные трансформаторы) и др.; 4) для питания различных цепей радиоаппаратуры и телевизионной аппаратуры, устройств связи, автоматики и телемеханики, электробытовых приборов и др.; 4

5) измерительные трансформаторы, которые служат для включения электроизмерительных приборов и некоторых аппаратов (реле и др.) в электрические цепи высокого напряжения или же в цепи, по которым проходят большие токи, с целью расширения пределов измерения и обеспечения электробезопасности; б) по виду охлаждения: 1) с воздушным охлаждением (сухие трансформаторы); 2) с масляным охлаждением (масляные трансформаторы); в) по числу трансформируемых фаз: 1) однофазные; 2) трехфазные; 3) многофазные; г) по форме магнитопровода: 1) стержневые; 2) броневые; 3) бронестержневые; 4) тороидальные. 1.2.2 Принцип действия трансформатора Электромагнитная схема однофазного двухобмоточного трансформатора состоит из двух обмоток (рисунок 1.1), размещенных на замкнутом магнитопроводе, который выполнен из ферромагнитного материала. Применение ферромагнитного магнитопровода позволяет усилить электромагнитную связь между обмотками, т.е. уменьшить магнитное сопротивление контура, по которому проходит магнитный поток. Обмотка более высокого напряжения называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а более низкого напряжения – обмоткой низшего напряжения (НН). Начала и концы обмотки ВН обозначаются большими буквами А и X, обмотки НН – малыми буквами a и x. Обмотка, к которой подводится напряжение сети называется первичной. Обмотка которая подсоединена к нагрузке называется вторичной. При подаче на зажимы первичной обмотки переменного напряжения u1, в ней возникает переменный ток, который создает переменный магнитный поток Ф, замыкающийся по магнитопроводу (рисунок 1.1). Поток Ф индуцирует в обеих обмотках переменные ЭДС е1 и е2, пропорциональные, согласно закону электромагнитной индукции, числам витков w 1 и w 2 соответствующих обмоток и скорости изменения магнитного потока d Ф d t : dФ , e1 = −w1 ⋅ dt dФ . e2 = − w 2 ⋅ dt

5

3

A u1

a

i1 1

e1

e2

i2 u2

2

x

Zн

X

1 – первичная обмотка, 2 – вторичная обмотка, 3 – магнитопровод Рисунок 1.1 – Электромагнитная система однофазного трансформатора Если к зажимам вторичной обмотки подсоединить нагрузку Z н , то под воздействием ЭДС e2 по ней начнет протекать ток i2. На выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение u2, которое можно найти исходя из второго уравнения Кирхгофа: u2 = e2 − i2 ⋅ Z 2 , где Z 2 – полное сопротивление вторичной обмотки трансформатора. До подключения к выводам вторичной обмотки сопротивления нагрузки Z н по первичной обмотке протекает ток холостого хода i0. После подключения сопротивления нагрузки Z н , в соответствии с принципом Ленца, в первичной обмотке появляется ток i1′ , величина которого определяется равенством МДС: i1′ ⋅ w1 = −i2 ⋅ w2 . Направление тока i1′ в любой момент времени противоположно направлению тока i2. Ток i1′ накладывается на ток i0 и дает результирующий ток i1, величина которого определяется вторым законом Кирхгофа: u1 = e1 + i1 ⋅ Z1 , где Z1 – полное сопротивление первичной обмотки трансформатора. В трансформаторе при этом устанавливается равенство МДС: i0 ⋅ w1 = i1 ⋅ w1 + i2 ⋅ w2 . Таким образом, электрическая энергия первичной цепи с параметрами U1 , I1 и частотой f будет преобразована в энергию переменного тока вторичной цепи с параметрами U 2 , I 2 , и f . ` Отношение мгновенных и действующих значений ЭДС в обмотках называется коэффициентом трансформации, который определяется выражением: 6

k = E1 / E 2 = e1 / e2 = w1 / w2 . Пренебрегая падениями напряжения в обмотках трансформатора, которые не превышают обычно 3 – 5 % от номинальных значений напряжений U1 и U 2

можно записать, что коэффициент трансформации: k = U1 /U 2 . Таким образом, подбирая числа витков первичной и вторичной обмоток, можно при заданном напряжении U1 получить желаемое напряжение U 2 . Если необходимо повысить напряжение, то число витков w 2 берут большим числа w 1 и такой трансформатор называют повышающим. Если требуется уменьшить напряжение U 2 , то число витков w 2 берут меньшим w 1 и такой трансформатор называют понижающим. Из принципа действия трансформатора видно, что он может работать только в цепях переменного тока. Если первичную обмотку трансформатора подключить к источнику постоянного тока, то в его магнитопроводе также образуется магнитный поток, но он будет постоянным во времени по величине и направлению. Поэтому в первичной и во вторичной обмотках в установившемся режиме не будет наводится ЭДС, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Такой режим опасен для трансформатора, так как из-за отсутствия ЭДС E1 ток в первичной обмотке резко возрастает. 1.2.3 Устройство трансформатора Современный трансформатор состоит из различных конструктивных элементов: магнитопровода, обмоток, вводов и др. Магнитопровод с насаженными на его стержни обмотками называется активной частью трансформатора. Остальные элементы называются неактивными (вспомогательными) частями. Рассмотрим наиболее подробно активную часть трансформатора. Магнитопровод трансформатора для уменьшения потерь на вихревые токи собирается из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 или 0,5 мм. Сталь имеет сравнительно высокое содержание кремния – до 4 %. Обычно применяются стали 3411, 3412. Магнитопровод однофазного трансформатора может быть стержневым (рисунок 1.2, а) или броневым (рисунок 1.2, б). Стержневой магнитопровод может собираться из штампованных листов П-образной (прямоугольной) или Гобразной формы. В трансформаторах малой мощности (сотни вольт-ампер и менее) в настоящее время часто используют кольцевые магнитопроводы, собираемые из штампованных колец (рисунок 1.2, в) или навиваемые из длинной ленты холоднокатаной текстурованной электротехнической стали (рисунок 1.2, г). У трансформаторов с такими магнитопроводами отсутствуют воздушные зазоры, что значительно уменьшает ток холостого хода. Для уменьшения влияния зазоров в 7

листах П или Г – образной формы сборка листов магнитопровода производится внахлестку (рисунок 1.3). Нечетные слои

а)

Четные слои

б)

Рисунок 1.3 – Сборка листов внахлестку

в)

г)

магнитопроводы: а – стержневого типа, б – броневого типа, в – кольцевой из листов стали, г- кольцевой из стальной ленты Рисунок 1.2 – Магнитопроводы однофазных трансформаторов Обмотки трансформаторов средней и большой мощности выполняют из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения, изолированных хлопчатобумажной пряжей или кабельной бумагой. Основой обмотки в большинстве случаев является бумажно-бакелитовый цилиндр, на котором крепится элементы (рейки, угловые шайбы и т.п.), обеспечивающие обмотке механическую и электрическую прочность.

8

По взаимному расположению на стержне обмотки разделяют на концентрические и чередующиеся. Концентрические обмотки выполняют в виде цилиндров (рисунок 1.4), размещаемых на стержне концентрически: ближе к стержню располагают обмотку НН, а снаружи – обмотку ВН. Чередующиеся обмотки выполняют в виде отдельных секций НН и ВН и располагают по высоте стержня. Такие обмотки применяются очень редко, только в специальных трансформаторах.

ярмо стержень

НН

ВН

Рисунок 1.4 – Однофазный стержневой трансформатор Концентрические обмотки в свою очередь делятся на цилиндрические, винтовые, непрерывные (спиральные). Первичная и вторичная цилиндрические обмотки однофазных трансформаторов большой мощности помещаются на двух стержнях магнитопровода отдельно друг от друга, или на каждом магнитопроводе помещаются половинки первичной и вторичной обмоток, соединяемых последовательно (рисунок 1.4). В трансформаторах большой мощности сечение стержней стараются приблизить к кругу (рисунок 1.5), так как из всех видов геометрических фигур при данной площади наименьший периметр, определяющий длину витков, имеет окружность.

9

Рисунок 1.5 – Формы сечений стержней Броневой трансформатор собирается обычно из листов Ш-образной формы (рисунок 1.2, б). Обе обмотки помещаются на среднем стержне (рисунок 1.6), по которому проходит основной магнитный поток, замыкающийся через два крайних стержня. Сечение каждого крайнего стержня делается равным половине сечения среднего. Трансформаторы небольшой мощности (десятки киловольт-ампер и меньше) выполняются обычно с воздушным охлаждением и называются сухими.

Рисунок 1.6 – Устройство броневого трансформатора Трансформаторы большой мощности выполняются с масляным охлаждением. Магнитопровод трансформатора 1 (рисунок 1.7) с обмотками НН (позиция 2) и ВН (позиция 3) помещается в специальном баке 4, заливаемом минеральным трансформаторным маслом, которое одновременно является хорошим изолятором. Для лучшего отвода тепла от масла в крупных трансформаторах снаружи имеется радиатор 5, омываемый естественным или искусственным потоком воздуха. Иногда применяется искусственная циркуляция масла с охлаждением в специальных охладителях. Так как в процессе работы трансформаторное масло от нагревания расширяется, то сверху трансформатора устанавливается специальный бак (расширитель) 9, соединяемый с внутренней полостью 10

7

8

9

1 2 5

3

4

Рисунок 1.7 – Устройство масляного трансформатора трансформатора. При расширении масло переходит в расширитель. Кроме того, на мощных трансформаторах устанавливается стальная выхлопная труба, также соединенная с основным баком трансформатора и сверху закрытая стеклянной мембраной толщиной 3 – 5 мм. При внутренних повреждениях обмоток трансформатора вследствие испарения и разложения масла образуются газы, которые выдавливают мембрану и выходят наружу. Выхлопная труба, таким образом, предохраняет основной бак от деформации. Обмотки трансформатора с внешней цепью соединяют вводами 7 и 8. Масляные трансформаторы более надежны в работе и имеют меньшие габариты по сравнению с сухими трансформаторами. 1.2.4 Маркировка зажимов трехфазного трансформатора Трансформация трехфазного тока может осуществляться тремя однофазными трансформаторами. Вместо группы из трех однофазных трансформаторов 11

А

C

B

X

Y

Z

x

y

z

a

b

c

Рисунок 1.8 – Схема трехфазного трансформатора может быть применен один трехфазный трансформатор (рисунок 1.8). На каждом из трех стержней, набранных из листовой стали и объединенных сверху и снизу ярмом, расположены первичная и вторичная обмотки одной фазы. Начальные выводы обмотки высшего напряжения обозначаются буквами А, В, С, конечные выводы буквами X, Y, Z. Для выводов обмоток низшего напряжения применяются обозначения малыми буквами a, b, c и x, y, z. Как первичные, так и вторичные обмотки трансформаторов могут быть соединены звездой (символ Y или Y0 при выведенной нейтральной точке) или треугольником (символ ∆ ). Таким образом, могут быть соединения Y/Y, Y/ ∆ , ∆ / ∆ , ∆ /Y. Существуют и другие, более сложные соединения, например, соединение типа “зигзаг”. 1.3 Задание

1.3.1 Изучить устройство и принцип действия трансформатора. 1.3.2 Записать паспортные данные испытуемого трансформатора. 1.3.3 Произвести маркировку зажимов трехфазного трансформатора. 1.3.4 Экспериментально определить коэффициент трансформации. 12

1.4 Методические указания

1.4.1 К пункту 1.3.3. Для определения однозначных зажимов (начал и концов для двух обмоток ВН) необходимо соединить их последовательно, принимая один из зажимов за начало (А или В), а второй – за конец обмотки (X или Y), а на зажимы третьей обмотки подключить вольтметр. а)

б) Y

X

B

X

V

V

A

~Uc

A

~Uc

Y

Рисунок 1.9 – К определению маркировки зажимов первичной обмотки трансформатора Соединенные последовательно обмотки включить в сеть (рисунок 1.9). Если на третьей обмотке напряжение будет минимальное (близкое к нулю), то это означает, что в двух обмотках A a между собой соединены однозначные концы (X и Y или A и B) (рисунок 1.9, а). Если же вольтметр покажет напряжение близкое к половине ~Uc U2 U1 сетевого, то это означает, что между собой соединены разнозначные концы (X и B или A и Y) (рисунок x X 1.9, б). Определение одноименных V зажимов обмоток НН относительно производят по схеме, Рисунок 1.10 – К определению ВН маркировки зажимов вторичной показанной на рисунке 1.10. Если включить в сеть данную схему и обмотки вольтметр покажет разность напряжений ВН и НН (меньше сетевого), то это означает, что он подсоединен к одноименным зажимам. Если же вольтметр покажет сумму напряжений ВН и НН (больше сетевого), то он подключен к разноимееным зажимам. Аналогично маркируются обмотки других фаз трансформатора. 13

1.4.2 К пункту 1.3.4. Для определения коэффициента трансформации необходимо собрать схему показанную на рисунке 1.11. В соответствии с этой схемой, ~Uc нужно перемкнуть одноименные зажимы первичных фазных обмоток X, Y, Z и одноименные зажимы вторичных QF 1 фазных обмоток x, y, z. К началам первичных и вторичных фазных обмоток pV1 подключить вольтметры pV1, pV2 соотV ветственно. Начала фазных первичных обмоток A,B,C посредством автоматичеB A C ского выключателя QF1 подключить к питающей сети Uc, Измерить линейные X Y Z напряжения первичной и вторичной обмотки U1 и U2 и определить коэффициент трансформации. x

y

z

a V pV2

b

c

Рисунок 1.11 – К определению коэффициента трансформации 1.5 Контрольные вопросы

1.5.1 Классификация трансформаторов. 1.5.2 Принцип работы трансформатора. 1.5.3 Почему трансформаторы не работают от сети постоянного тока? 1.5.4 Основные уравнения трансформатора. 1.5.5 Основные элементы конструкции трансформатора и их назначение. 1.5.6 Разновидности сердечников и обмоток трансформатора. 1.5.7 Как определяется коэффициент трансформации? 1.5.8 Как производится маркировка зажимов ВН и НН трехфазного трансформатора?

14

2 Лабораторная работа № 2 Исследование асинхронной машины 2.1 Цель работы

Изучить принцип действия и устройство асинхронной машины. Осуще707ствить пуск асинхронной машины прямым включением в сеть. Снять и построить рабочие характеристики асинхронной машины. 2.2 Предмет исследования

2.2.1 Принцип действия асинхронной машины Асинхронная машина является машиной переменного тока. Электромагнитная схема асинхронной машины (рисунок 2.1, а) отличается от схемы трансформатора тем, что первичная обмотка размещена на неподвижном статоре 1, а вторичная – на вращающемся роторе 3. Между ротором и статором имеется воздушный зазор, величину которого для улучшения магнитной связи между обмотками делают по возможности малым. Обмотка статора 2 представляет собой трехфазную (или в общем случае многофазную) обмотку, катушки которой размещены равномерно по окружности статора. Фазы обмотки статора A – X , B – Y, и C – Z соединяют в Y или в ∆ и подключают к сети трехфазного тока (рисунок 2.1, б). Обмотку ротора 4 в такой машине выполняют трех- или многофазной и размещают равномерно вдоль окружности ротора. Фазы её a – x, b – y и c –z в простейшем случае замыкаются накоротко.

3

4

2 1

Рисунок 2.1 – Электромагнитная схема асинхронной машины

15

При подключении обмотки статора к сети трехфазного тока создается вращающееся магнитное поле, частота вращения равна: n1 = 60 f / p , где f – частота питающего напряжения, p – число пар полюсов. Если ротор неподвижен, или вращается с частотой, меньшей n1 , то вращающееся поле индуктирует в проводниках ротора ЭДС и по ним начинает протекать ток, так как обмотка ротора замкнута сама на себя. Ток ротора создает своё магнитное поле, которое, взаимодействуя с магнитным полем обмотки статора, создает электромагнитный момент. Ротор начинает вращаться по направлению вращения магнитного поля с частотой n. Поскольку условием возникновения токов в роторе является неравенство скоростей n ≠ n1 , ротор асинхронной машины не может вращаться со скоростью, равной синхронной, чем и объясняется название – асинхронный (“а” – отрицание). Относительную разность частот вращения магнитного поля и ротора называют скольжением: s = ( n1 − n ) / n1 . Скольжение часто выражают в процентах: s = (( n1 − n ) / n1 ) 100% . В зависимости от соотношения частот вращения поля и ротора различают три режима работы асинхронной машины: а) Режим двигателя. Ротор вращается в том же направлении, что и поле статора с частотой n < n1 , что соответствует скольжению 0 < s < 1 ; б) Режим генератора. Ротор вращается в том же направлении, что и поле статора, но с большей частотой n > n1 , что соответствует скольжению 0 > s > −∞ ; в) Режим электромагнитного тормоза. Ротор вращается против направления вращения магнитного поля, что соответствует скольжению 1 < s < +∞ . Наиболее часто асинхронная машина работает в режиме двигателя. Как генератор асинхронная машина используется в редких случаях. В режиме электромагнитного тормоза асинхронная машина используется, например, в башенных кранах, при отпускании груза. 2.2.2 Устройство асинхронных машин По конструкции асинхронные двигатели подразделяют на два основных типа: с фазным ротором (их иногда называют двигателями с контактными кольцами) и с короткозамкнутым ротором. Эти двигатели имеют одинаковую конструкцию статора и отличаются лишь конструкцией ротора. Двигатели с короткозамкнутым ротором (рисунок 2.2). Неподвижная часть двигателя – статор – состоит из корпуса 1 и сердечника 2 с трехфазной обмоткой. Корпус двигателя отливают из алюминиевого сплава или чугуна либо делают сварным. Рассматриваемый двигатель имеет закрытое обдуваемое 16

исполнение. Поэтому поверхность его корпуса имеет ряд продольных ребер для увеличения поверхности охлаждения. В корпусе расположен сердечник статора 3, имеющий шихтованную конструкцию. Сердечник состоит из отштампованных листов тонколистовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм, которые покрыты слоем изоляционного лака или оксидной пленкой. Листы стали, собраны в пакет и скреплены специальными скобами или продольными сварными швами по наружной поверхности пакета. Такая конструкция сердечника способствует значительному уменьшению вихревых токов, возникающих в процессе перемагничивания сердечника вращающимся магнитным полем. На внутренней поверхности сердечника статора имеются продольные пазы, в которых расположены пазовые части обмотки статора, соединенные в определенном порядке лобовыми частями, находящимися за пределами сердечника по его торцовым сторонам. Концы обмоток фаз выводят на зажимы коробки выводов 3. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя – ротор, 5

2

1

9

10

3

2 б)

1

2

3

7

в)

а) 8 1 4

3

11

4

12 4 – 1 – сердечник ротора, 2 – стержни, 3 – короткозамыкающие кольца, вентиляционные лопатки

Рисунок 2.3 – Конструкция короткозамкнутого ротора 6

Рисунок 2.2 – Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором

17

состоящий из вала 4 и сердечника 5 с короткозамкнутой обмоткой. Такая обмотка называется “беличье колесо” или “беличья клетка”. Она представляет собой ряд металлических (алюминиевых или медных) стержней, расположенных в пазах сердечника ротора, замкнутых с двух сторон короткозамыкающими кольцами (рисунок 2.3 а). Сердечник ротора также имеет шихтованную конструкцию, листы ротора покрыты изоляционным лаком, или имеют на своей поверхности тонкую пленку окисла. Это является достаточной изоляцией, ограничивающей вихревые токи, так как величина их невелика из-за малой частоты перемагничивания сердечника ротора. Короткозамкнутая обмотка ротора в большинстве двигателей выполняется заливкой собранного сердечника ротора расплавленным алюминиевым сплавом. При этом одновременно со стержнями обмотки отливаются короткозамыкающие кольца и вентиляционные лопатки (рисунок 2.3 в). Вал ротора вращается в подшипниках качения 6 и 7, расположенных в подшипниковых щитах 8 и 9. Охлаждение двигателя осуществляется методом обдува наружной оребренной поверхности корпуса. Поток воздуха создается центробежным вентилятором 10, который прикрыт кожухом 11. На торцевой поверхности этого кожуха имеются отверстия для забора воздуха. Установка двигателя осуществляется либо посредством лап 12, либо посредством фланца. Для предохранения обслуживающего персонала от возможного поражения электрическим током двигатели снабжаются болтами заземления (не менее двух). Двигатели с фазным ротором (рисунок 2.4). Конструктивно отличается главным образом только устройством ротора. Статор этого двигателя состоит из корпуса 1 и сердечника 2 с трехфазной обмоткой. У него имеются подшипниковые щиты 3 и 4 с подшипниками качения 5 и 6. Одновременно с корпусом 1 отиты лапы 7. На корпусе закреплена коробка выводов 8. Ротор имеет более сложную конструкцию. На валу 9 закреплен шихтованный сердечник 10 с трехфазной обмоткой, выполненной аналогично обмотке статора. Эту обмотку соединяют звездой, а её концы присоединяют к трем контактным кольцам 11, расположенным на валу и изолированным друг от друга и от вала. Для осуществления электрического контакта с обмоткой вращающегося ротора на каждое контактное кольцо накладывают обычно две щетки, располагаемые в щеткодержателях. Каждый щеткодержатель снабжен пружинами, обеспечивающими прижатие щеток к контактному кольцу с определенным усилием. Обмотка ротора соединена с пусковым реостатом, создающим в цепи ротора добавочное сопротивление.

18

1

5

3

2

10 4 6

9

8 11

7

Рисунок 2.4 – Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором Часто асинхронные двигатели с фазным и короткозамкнутым ротором имеют скошенные пазы на статоре или роторе. Скос пазов делают, для того чтобы уменьшить высшие гармоники ЭДС, вызванные пульсациями магнитного потока из-за наличия зубцов, уменьшить шум, вызываемый магнитными причинами, и устранить явление залипания ротора к статору, которое иногда имеет место в микродвигателях. На корпусе асинхронного двигателя прикреплена табличка, на которой указаны тип двигателя, завод-изготовитель, год выпуска и номинальные данные (полезная мощность, напряжение, ток, коэффициент мощности, частота вращения и КПД). 2.2.3 Область применения и подключение асинхронных двигателей По конструкции двигатели с короткозамкнутым ротором проще, чем двигатели с фазным ротором и более надежны в эксплуатации. Основные недостатки этих двигателей – сравнительно небольшой пусковой момент и значительный пусковой ток. Поэтому их применяются в тех электрических приводах, где не требуется большие пусковые моменты (электроприводы металлообрабатывающих станков, вентиляторов и пр.). Асинхронные двигатели малой мощности и микродвигатели также выполняют с короткозамкнутым ротором. В двигателях с фазным ротором имеется возможность с помощью пускового реостата увеличивать пусковой момент до максимального значения и 19

уменьшать пусковой ток. Следовательно, такие двигатели применяются для привода и механизмов, которые пускают в ход при большой нагрузке (электроприводы грузоподъемных машин, компрессоров и пр.). Для подключения асинхронной машины к сети начало и конец каждой фазы обмотки статора выводят на щиток машины, где имеется шесть зажимов (рисунок 2.6). К верхним зажимам С1, С2, С3 (начала фаз) подводятся три линейных провода от трехфазной сети. Нижние зажимы С4, С5, С6 (концы фаз) либо соединяются в одну точку двумя горизонтальными перемычками, либо

C1

C2

C3

C1

C2

C3

C6

C4

C5

C6

C4

C5

Рисунок 2.6 – Подключение асинхронной машины

каждый из этих зажимов соединяется вертикальной перемычкой с лежащими над ним верхним зажимом. В первом случае три фазы статора образуют соединение звездой, во втором – треугольником. Если, например, одна фаза статора рассчитана на напряжение 220 В, то линейное напряжение сети в которую включается двигатель, должно быть 220 В в случае включения статора треугольником; при включении его звездой линейное напряжение сети должно быть 3 ⋅ 220 = 380 В. При соединении статора звездой нейтральный провод не подводится, так как двигатель является для сети симметричной нагрузкой. 2.3 Задание

2.3.1 Изучить принцип действия и устройство асинхронного двигателя. 2.3.2 Записать паспортные данные испытуемых электрических машин. 2.3.3 Собрать электрическую схему. 2.3.4 Снять рабочие характеристики асинхронного двигателя при соединении трехфазной обмотки в треугольник и звезду. 2.3.5 Рассчитать и построить рабочие характеристики. 2.4 Методические указания

2.4.1 К пункту 2.3.3. Испытание начинается с определения полярности сети постоянного тока, для этого необходимо подключить сеть постоянного тока с помощью автоматического выключателя QF 2 к вольтметру РV1. Определив полярность сети постоянного тока необходимо собрать схему на стенде с помощью соединительных проводов, которые выдаются преподавателем. Электрическая схема испытания представлена на рисунке 2.7. 20

С1

С4

Я1

Ш1

Ш2

PА1

А PV1 Я2

С1

V

Rв PА2

С2

С2 С5

А

С6

С3

SA1

SA2

SA3

SA4

SA5

Rн

измерительный комплект

∆

SA 6

Y

QF 2

=220 В

QF 1 ~220 В

Рисунок 2.7 – Схема для испытания асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором под нагрузкой 2.4.2 К пункту 2.3.4. Снятие рабочих характеристик необходимо произвести в следующей последовательности. Переключить переключатель SA 6 в положение Υ, автоматическим выключателем QF 1 осуществить пуск асинхронного двигателя, при этом машина постоянного тока, находящаяся на одном валу с асинхронным двигателем должна возбудиться как генератор параллельного возбуждения. Полярность напряжения на якоре генератора должна соответствовать полярности сети. Сопротивлением Rв установить напряжение на якоре, равным напряжению сети. Включить автоматический выключатель QF 2, тем самым подключить машину постоянного тока на параллельную работу с сетью. С помощью сопротивления Rв установить по амперметру РA3 ток I2=0. Это будет соответствовать реальному холостому ходу асинхронной машины. Уменьшить величину сопротивления в цепи возбуждения Rв машины постоянного тока, перевести асинхронную машину в режим нагрузки. Установить ток статора асинхронного двигателя ( I 1 = 1,2 ⋅ I н ) и снять показания приборов. Результаты занести в таблицу 2.1. Таблица 2.1 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя № Опы

Результаты измерений

Результаты вычислений 21

Опыта

U1 В

I1 А

Pф Вт

n U2 Об/мин В

I2 А

P1 Вт

M

Н⋅м

P2 Вт

η %

cos ϕ -

s %

Затем, увеличивая сопротивление Rв снять еще 5 – 6 точек характеристики и данные занести в таблицу 2.1. После снятия характеристик установить реальный холостой ход асинхронного двигателя и отключить последовательно выключатели QF 2 и QF 1. После полной остановки машин переключить выключатель SA 6 в положение ∆ и снять рабочие характеристики, так же как и для соединения обмоток статора в звезду. 2.4.3 К пункту 2.3.5. Для расчета характеристик и заполнения таблицы 2.1 необходимо воспользоваться следующими обозначениями и расчетными формулами: I1 – фазный ток статора асинхронного двигателя, А; U1 – фазное напряжение, подводимое к обмотке статора, В; P1 – активная мощность, потребляемая двигателем из сети, Вт; n – частота вращения асинхронного двигателя, об/мин; P η = 2 – коэффициент полезного действия асинхронного двигателя, %; P1 P1 – коэффициент мощности, о.е; cos ϕ = 3 ⋅ U 1 ⋅ I1 n −n s= 1 ⋅ 100% – скольжение ротора асинхронного двигателя; n1 P2 = 0,105 ⋅ M ⋅ n – мощность на валу асинхронной машины, Вт; M – момент на валу асинхронной машины, Н⋅м U 2 ⋅ I 2 + I 22 ⋅ Ra M = 9,56 ⋅ + М тр , n где M тр - момент трения машины постоянного тока, Н⋅м

U 2 н ⋅ I 2 н + I 22н ⋅ Ra , H ⋅ м; M тр = nн U 2 – напряжение на зажимах генератора, В; I 2 - ток машины постоянного тока, А; Ra = 1 Ом – сопротивление обмотки якоря машины постоянного тока. По данным таблицы 2.1 строят рабочие характеристики асинхронного двигателя. Вид этих характеристик показан на рисунке 2.8.

22

М P1 n η, об/мин cos ϕ Н м Вт

I1 A

6

5 4 3

P2

2

1

Вт

Зависимости: 1 – I 1 = f (P2 ) , 2 – P1 = f (P2 ) , 3 – M = f (P2 ) , 4 – cos ϕ = f (P2 ) , 5 – η = f (P2 ) , 6 – n = f (P2 )

Рисунок 2.8 – Рабочие характеристики асинхронного двигателя 2.5 Контрольные вопросы

2.5.1 Принцип действия асинхронной машины. 2.5.2 Понятие скольжения. Режимы работы асинхронной машины. 2.5.3 Устройство асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. 2.5.4 Устройство асинхронного двигателя с фазным ротором. 2.5.5.Укажите области применения асинхронного двигателя с фазным и короткозамкнутым ротором. 2.5.6 Как подключить асинхронный двигатель к питающей сети? 2.5.7 Как производится снятие рабочих характеристик асинхронного двигателя? 3 Лабораторная работа № 3 Исследование синхронной машины 3.1 Цель работы

Изучить принцип действия и устройство синхронной машины. Осуществить пуск синхронного двигателя. Снять и построить рабочие характеристики синхронной машины 3.2 Предмет исследования 23

3.2.1 Принцип действия синхронной машины Синхронной называется электрическая машина, у которой ротор вращается с той же частотой, что и магнитное поле статора. Статор 1 синхронной машины (рисунок 3.1, а) выполнен так же, как и у асинхронной: на нем расположена трехфазная (в общем случае многофазная) обмотка 3. Обмотку ротора 4, которая питается от источника постоянного тока, называют обмоткой возбуждения, так как она создает в машине магнитный поток возбуждения.

1

3 4

2 3

5 2

1 – статор, 2 – ротор, 3 – обмотка якоря, 4 – обмотка возбуждения, 5 – контактные кольца, 6 – щетки Рисунок 3.1 – Электромагнитная схема синхронной машины (а) и схема ее включения (б) Вращающуюся обмотку ротора соединяют с внешним источником постоянного тока посредством контактных колец 5 и щеток 6. Принцип действия синхронного генератора. Вал ротора 2 вращается с помощью приводного механизма (турбина, двигатель внутреннего сгорания и т.п.) с некоторой частотой n . На обмотку возбуждения подается постоянный ток. Поток возбуждения, созданный этой обмоткой пересекает проводники трехфазной обмотки статора и индуктирует в ее фазах переменную ЭДС E (рисунок 3.1, б), изменяющуюся с частотой: f1 = pn / 60 .

Если обмотку статора подключить к какой-либо нагрузке, то протекающий по этой обмотке многофазный ток якоря I a создаст вращающееся магнитное поле, частота вращения которого: 24

n1 = 60 f1 / p .

В синхронной машине обмотку, в которой индуктируется ЭДС и протекает ток нагрузки, называют обмоткой якоря, а часть машины, на которой расположена обмотка возбуждения – индуктором. Следовательно, в машине, выполненной по конструктивной схеме, представленной на рисунке 3.1, статор является якорем, а ротор – индуктором. С точки зрения принципа действия и теории работы машины безразлично, вращается якорь или индуктор, поэтому в некоторых случаях применяют синхронные машины с обращенной конструктивной схемой: обмотка якоря, к которой подключена нагрузка, расположена на роторе, а обмотка возбуждения, питаемая постоянным током, – статоре. Принцип действия синхронного двигателя. Обычно практически все синхронные двигатели имеют пусковую обмотку (рисунок 3.5). Пуск синхронного двигателя осуществляется при замкнутой на большое активное сопротивление обмотке возбуждения (8 – 10 RВ). При подключении трехфазной обмотки якоря к питающей сети возникает магнитное поле якоря, которое вращается с часто60 f той n1 = . Это магнитное поле индуцирует в пусковой обмотке ЭДС. Так p как пусковая обмотка замкнута накоротко, в ней начинает протекать ток, который создает свое магнитное поле. Это магнитное поле взаимодействует с вращающимся магнитным полем якоря и создается вращающий момент на валу (индуктор приходит во вращение). После того как индуктор достиг подсинхронной скорости ( 0,95 ⋅ n1 ) на обмотку возбуждения подается постоянный ток и ротор втягивается в синхронизм. Так как ротор относительно магнитного поля якоря неподвижен, в пусковой обмотке ЭДС не наводится. 3.2.2 Устройство синхронной машины Конструктивная схема машины. Синхронные машины выполняют с неподвижным или вращающимся якорем. Машины большой мощности для удобства отвода электрической энергии со статора или подвода её выполняют с неподвижным якорем (рисунок 3.2, а). Поскольку мощность возбуждения невелика по сравнению с мощностью, снимаемой с якоря (0,3 – 3 %), подвод постоянного тока к обмотке возбуждения с помощью двух колец не вызывает особых затруднений. Синхронные машины небольшой мощности выполняют как с неподвижным, так и с вращающимся якорем.

1 – якорь, 2 – обмотка якоря, 3 – полюсы индуктора, 4 – обмотка возбуждения, 5 – кольца и щетки 1 – сердечник ротора, 2 – обмотка возбуждения Рисунок 3.2 Конструктивная схема синхронной машины с неподвижи вращающимся якорем Рисунок 3.3 ным – Роторы явнополюсной (а), и неявнополюсной (б) машин

25

Синхронную машину с вращающимся якорем и неподвижным индуктором (рисунок 3.2, б) называют обращенной. Конструкция ротора. В машине с неподвижным якорем применяют две конструкции ротора: явнополюсную – с явно выраженными полюсами (рисунок 3.3, а) и неявнополюсную – с неявновыраженными полюсами (рисунок 3.3, б). Явнополюсный ротор обычно используют в машинах с двумя и меньшим числом пар полюсов. Обмотку возбуждения выполняют в этом случае в виде цилиндрических катушек прямоугольного сечения, которые размещают на сердечниках полюсов и укрепляют при помощи полюсных наконечников. Ротор, сердечники полюсов и полюсные наконечники изготавливают из стали. Двух- и четырехполюсные машины большой мощности, работающие при частоте вращения ротора 1500 и 3000 об/мин, изготавливают, как правило, с неявнополюсным ротором. Применение в них явнополюсного ротора невозможно по условиям обеспечения необходимой механической прочности крепления полюсов и обмотки возбуждения. Обмотку возбуждения в такой машине размещают в пазах сердечника ротора, выполненного из массивной стальной поковки, и укрепляют немагнитными клиньями. Лобовые части обмотки, на которые воздействуют значительные центробежные силы, крепят при помощи стальных массивных бандажей. Для получения распределения магнитной индукции, близкого к синусоидальному,

1 – корпус, 2 – сердечник статора, 3 – обмотка статора, 4 – ротор, 5 – вентилятор, 6 – выводы обмотки статора, 7 – контактные кольца, 8 – щетки, 9 – возбудитель Рисунок 3.4 – Устройство явнополюсной синхронной машины 26

обмотку возбуждения укладывают в пазы, занимающие 2/3 каждого полюсного деления. На рисунке 3.4 показано устройство явнополюсной синхронной машины. Сердечник статора 2, запрессованный в стальной корпус 1 собран из изолированных листов электротехнической стали. В его пазах расположена трехфазная обмотка якоря 3, выводы 6 которой расположены на клемной коробке. Сердечники полюсов ротора 4 крепятся к остову шпильками. Обмотка ротора состоит из полюсных катушек. Контактные кольца 7 крепятся на конце вала. Для соединения вращающейся части машины с внешней цепью используются щетки 8, которые скользят по поверхности контактных колец. Щетки закреплены в щеткодержателях и прижимаются к контактным кольцам с помощью нажимных пружин. Полюсным наконечникам в явнополюсных машинах обычно придают такой профиль, чтобы воздушный зазор между полюсным наконечником и статором был минимальным под серединой полюса и максимальный у его краев, благодаря чему кривая распределения индукции в воздушном зазоре приближается к синусоиде. В синхронных двигателях с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках размещают стержни пусковой обмотки (рисунок 3.5), выполненной из материала с повышенным удельным сопротивлением (латуни и др.). Такую же обмотку (типа “беличья клетка”), состоящую из медных стержней, применяют и в синхронных генераторах; её называют успокоительной или демпферной обмоткой, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающее при переходных режимах работы синхронной машины.

1 – полюсы ротора, 2 – короткозамыкающие кольца, 3 – стержни беличьей клетки, 4 – полюсные наконечники Рисунок 3.5 – Размещение пусковой обмотки в синхронных двигателях Возбуждение синхронных машин. В зависимости от способа питания обмотки возбуждения различают системы независимого и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника для питания обмотки возбуждения служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины (рисунок 3.4), или же отдельный вспомогатель27

ный генератор, приводимый во вращение синхронным или асинхронным двигателем. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается от обмотки якоря через управляемый или неуправляемый выпрямитель – полупроводниковый или ионный. Мощность, необходимая для возбуждения, невелика и составляет 0,3 – 3 % от мощности синхронной машины. Крупные синхронные машины подразделяют на турбогенераторы, гидрогенераторы, дизель-генераторы, синхронные компенсаторы и синхронные двигатели. 3.3 Задание

3.3.1 Изучить принцип действия и устройство синхронных машин. 3.3.2 Записать паспортные данные испытуемых электрических машин. 3.3.3 Собрать электрическую схему. 3.3.4 Осуществить пуск синхронного двигателя. 3.3.5 Снять рабочие характеристики синхронного двигателя. 3.3.6 Рассчитать и построить рабочие характеристики синхронного двигателя. 3.4 Методические указания

3.4.1 К пункту 3.3.3. Собрать схему на стенде с помощью соединительных проводов, которые выдаются преподавателем. Электрическая схема испытания представлена на рисунке 3.6. 3.4.2 К пункту 3.3.4. Испытуемый синхронный двигатель запускается с помощью вспомогательного двигателя постоянного тока. Сам процесс пуска полностью соответствует методу точной синхронизации при включении синхронного генератора на параллельную работу с сетью. Для включения синхронного генератора на параллельную работу с сетью необходимо четко выполнять следующий порядок операций! а) Обязательно при введенном реостате Rд и выведенном реостате Rв автоматическим выключателем QF 2 произвести пуск двигателя постоянного тока. В результате этого ротор синхронной машины придет во вращение, синхронная машина возбудится, о чем должны свидетельствовать появление тока в обмотке возбуждения (амперметр РA3) и наличие напряжения на якоре синхронной машины (вольтметр РV1). б) Включить вспомогательный автомат QF 1, лампы синхроноскопа при этом должны загореться. в) Произвести разгон ротора синхронной машины уменьшением сопротивления Rд в цепи якоря двигателя постоянного тока и одновременно изменить с помощью сопротивления R Г ток возбуждения синхронного генератора так, чтобы при напряжении на якоре машины 220 В (вольтметр РV1), частото28

мер показывал бы частоту питающей сети. При этом лампы синхроноскопа будут мигать с частотой один раз в 2 – 3 секунды. ~ 220 В

QF 1 = 220 В

Л1 Л2 Л3 QF 3

QF 2

А В С

Rд

РA1

А

РV1

Rв

V cosφ

ОВ А В С

Я2 С1

В Rг

Я1 Ш2

ОВСД

С2 РA2 А

МПТ РV2

V

ОВВ РA3

А

Ш1

Rн

Рисунок 3.6 – Схема испытания синхронного двигателя г) Выбрать момент полного потухания ламп синхроноскопа и включить автоматический выключатель QF 3. При правильных действиях, после включения выключателя QF 3 бросок тока (амперметр pА1) не должен превышать номинального значения для синхронной машины. Чтобы перевести синхронную машину в режим двигателя синхронной машины необходимо, использовать машину постоянного тока как генератор, работающий на нагрузочный реостат Rн . Для этого машину посто-

29

янного тока необходимо отключить от сети (автомат QF 2) и подключить нагрузочный реостат Rн . 3.4.3 К пункту 3.3.5. Рабочие характеристики P1 , I1 , M ,η , cos ϕ = f ( P2 ) при U = const , I в = const для cos ϕ 0 = 1 получают следующим образом. После включения синхронного двигателя в сеть, машину постоянного тока нужно использовать как нагрузочный генератор, отключив её от сети постоянного тока (выключатель QF 1) и нагрузив на реостат Rн . Первую точку характеристик получают при холостом ходе синхронного двигателя (реостат Rн отключен). Нужно установить заданное значение коэффициента мощности при холостом ходе cos ϕ 0 = 1 . Вводя ступени реостата Rн и получить ещё 4 – 5 точек в диапазоне изменения тока якоря синхронного двигателя от холостого хода до номинального значения. Запись значений произвести в таблицу 3.1. После проведения опыта отключить последовательно выключатели QF 1, QF 3. Таблица 3.1 – Рабочие характеристики синхронного двигателя Опытные данные Расчетные данные № cos ϕ U I I U P M опыта 1 1 г г 1 ∑ P P2 В

А

-

А

В

Вт

Вт

Вт

H⋅м

η %

3.4.4 К пункту 3.3.6. Для расчета рабочих характеристик и заполнения таблицы 3.1 необходимо воспользоваться следующими обозначениями и расчетными формулами: U1 – линейное напряжение синхронного двигателя, В; I1 – линейный ток синхронного двигателя, А; cos ϕ – коэффициент мощности синхронного двигателя, о.е; U Г и I Г – напряжение и ток генератора постоянного тока, В ⋅ А ;

P1 = 3 ⋅ U 1 ⋅ I1 ⋅ cos(ϕ ) – мощность, потребляемая синхронным двигателем от сети, Вт; ∑ P = Pм + Pст + Pмех – суммарные потери в двигателе, Вт, где Pм = 3 ⋅ I12 ⋅ rθ 75 – электрические потери в обмотках двигателя, Вт; P0 ≈ Pст + Pмех – потери в стали и механические потери двигателя (потери холостого хода), Вт; 235 + 75 rθ 75 = rф ⋅ – расчетное сопротивление фазы обмотки статора дви235 + t 0 гателя при температуре 75 0С ( rф принять 0,725 Ом), Ом; o

o

P0 = 3 ⋅ U 1 ⋅ I 0 ⋅ cos(ϕ 0 ) – потери холостого хода, Вт; I 0 ; cos ϕ 0 – ток и коэффициент мощности при холостом ходе двигателя.

30

P2 = P1 − ∑ P – полезная мощность синхронного двигателя, Вт; 60 ⋅ P2 M = – вращающий момент, Н ⋅ м , 2 ⋅ π ⋅ n1 где n1 – синхронная частота вращения, об/мин; P η = 2 – коэффициент полезного действия двигателя, о.е. P1 Расчетные значения необходимо занести в таблицу 3.1. На основании данных таблицы 3.1 построить рабочие характеристики синхронного двигателя. Вид этих характеристик показан на рисунке 3.7.

cosϕ , η M o.e. Н ⋅ м

I1 A

P1 Вт

η

cos ϕ

P1

I1 M

P2

Вт

Рисунок 3.7 – Рабочие характеристики синхронного двигателя 3.5 Контрольные вопросы

3.5.1 Принцип действия синхронной машины в режиме генератора и двигателя. 3.5.2 Устройство синхронных машин. 3.5.3 Что такое синхронная частота вращения и как она рассчитывается? 3.5.4 Назначение пусковой обмотки. 3.5.5 Каким образом можно пустить в ход синхронный двигатель? 3.5.6 В чем преимущества и недостатки синхронных двигателей перед асинхронными? 31

4 Лабораторная работа № 4 Исследование машины постоянного тока. 4.1 Цель работы

Изучить принцип действия и устройство машины постоянного тока. Снять и построить рабочие характеристики двигателя постоянного тока. 4.2 Предмет исследования

4.2.1 Принцип действия машины постоянного тока Электрические машины постоянного тока широко применяются для привода различных установок и механизмов, в которых требуется простое и экономичное регулирование скорости вращения. Машина постоянного тока 1 (рисунок 4.1) имеет обмотку 2 возбуждения, расположенную 3 на явновыраженных полюсах 4 статора. Рассмотрим принцип действия генератора. При подаче на обмотку возбуждения постоянного тока, создается маг5 нитный поток возбуждения. Вал генератора вращается с помо6 щью приводного двигателя. При этом в двухслойной обмотке ротора индуктируется переменная ЭДС, как при вращении витка в однородном магнитном поле. Секции двухслойной об1 – обмотка возбуждения, 2 – главные мотки подсоединены к коллекполюсы, 3 – якорь, 4 – обмотка якоря, 5 тору, который преобразует переменную ЭДС, индуктированщетки, 6 – корпус ную в обмотке ротора в постоРисунок 4.1 – Электромагнитная схема янную. Токосъем с подвижной машины постоянного тока части машины осуществляется с помощью щеток (рисунок 4.1). В двигателе постоянного тока, наоборот, коллектор выполняет функцию преобразователя постоянного тока в переменный. При этом на щетки подается постоянное напряжение, обмотка возбуждения питается постоянным током. На обмотку ротора начинает действовать сила Лоренца (сила, действующая на проводник с током, в магнитном поле). Ротор приводится во вращение. Таким образом, ротор машины постоянного тока яв32

ляется якорем, а конструкция машины сходна с конструкцией обращенной синхронной машины. При заданном направлении вращения якоря направление ЭДС, индуктируемой в проводниках, зависит только от того, под каким полюсом находится проводник. Поэтому во всех проводниках, расположенных под одним полюсом, ЭДС имеет одинаковое направление. 4.2.2 Устройство машины постоянного тока Главной отличительной особенностью машины постоянного тока от других вращающихся электрических машин является наличие коллектора и скользящего контакта между обмоткой якоря и внешней электрической цепью. Ма2 8 9

5

4

6

1

13 14 10

7

11

3

12

Рисунок 4.2 – Устройство машины постоянного тока

шина постоянного тока (рисунок 4.2) по конструктивному исполнению подобна обращенной синхронной машине, у которой обмотка якоря расположена на роторе, а обмотка возбуждения – на статоре. Основное отличие заключается в том, что машина постоянного тока имеет на якоре коллектор, а на статоре, помимо главных полюсов с обмоткой возбуждения – добавочные полюсы, которые служат для уменьшения искрения под щетками. 33

Статор. Статор состоит из станины 1 и главных полюсов 2. Станина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготавливают из стали – материала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы 3 для крепления машины, а по окружности станины расположены отверстия для крепления главных полюсов 4. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листов стали, за исключением машин с весьма большим наружным диаметром, у которых станину делают разъемной, что облегчает транспортировку и монтаж машины. Главные полюсы. Главный полюс состоит из сердечника 5 и полюсной катушки 6. Сердечник полюса (рисунок 4.3) выполняют шихтованными (из стальных штампованных листов). Стальные листы спрессовывают под давлением и скрепляют заклепками, головки которых утоплеб) а) 3 2 ны в нажимные щеки, ус2 6 тановленные по краям 4 1 каждого полюса. Шихтованными требуется изготовлять только наконеч1 4 5 ники главных полюсов, 1 – полюсный наконечник, 2 – сердечник по- так как при вращении люса, 3 – установочный болт, 4 – заклепки, 5 – зубчатого якоря из-за пульсации магнитного установочный стержень, 6 – нажимные щеки потока в воздушном зазоРисунок 4.3 – Главные полюсы машины по- ре в них возникают вихревые токи и потери стоянного тока мощности. Однако по технологическим соображениям чаще всего выполняют шихтованным весь полюс. Полюсы крепят к станине болтами; нарезку резьбы для болтов выполняют непосредственно в шихтованном сердечнике полюса (рисунок 4.3, а) либо в массивных стальных стержнях (рисунок 4.3, б), которые вставляют в выштампованные отверстия в полюсах. Катушки главных и добавочных полюсов изготавливают из изолированного медного провода круглого или прямоугольного сечения. Катушки машин малой мощности выполняют из тонкой проволоки; последовательные катушки обмоток возбуждения и добавочных полюсов изготавливают из полосовой меди. Расположенную на полюсе обмотку иногда разбивают на несколько секций для улучшения охлаждения. При секционном выполнении катушек между отдельными секциями устанавливают дистанционные шайбы из изоляционного материала, посредством которых образуются вентиляционные каналы. Якорь. Якорь машины постоянного тока (рисунок 4.2) состоит из вала 7, сердечника 8 с обмоткой и коллектора 9. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штампованных пластин тонколистовой электро34

технической 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 перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности якоря имеются пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку якоря 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 10 обмотки якоря крепят к обмоткодержателям. Коллектор 9 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. На рисунке 4.4 показано устройство коллектора со стальными конусными шайбами. Нижняя часть коллекторных пластин имеет форму “ласточкиного хвоста”. После сборки коллектора эти части пластин оказываются зажатыми между стальными шайбами 1 и 3, изолирован5 4

6

1

2

3 1

2 1

Рисунок 4.4 – Устройство коллектора с конусными шайбами ными от медных пластин миканитовыми манжетами 4. Конусные шайбы стянуты винтами 2. Между медными пластинами расположены миканитовые изоляционные прокладки. В процессе работы машины рабочая поверхность коллектора постепенно истирается щетками. Чтобы при этом миканитовые прокладки не выступали над рабочей поверхностью коллектора, что вызвало бы вибрацию щеток и нарушение работы машины, между коллекторными пластинами фрезеруют пазы (дорожки) на глубину до 1,5 мм (рисунок 4.4, б). Верхняя часть 5 коллектроных пластин (рисунок 4.4, а), называемая петушком, имеет узкий 35

продольный паз, в который закладываются концы секций обмотки якоря и тщательно припаивают. В машинах постоянного тока малой мощности часто применяют коллекторы на пластмассе (рисунок 4.5), отличающиеся простотой в изготовлении. Набор медных и миканитовых пластин в таком коллекторе удерживается пластмассой, запрессованной в пространство между набором пластин и стальной втулкой 4 и образующей корпус коллектора. Иногда с целью увеличения прочности коллектора эту пластмассу 2 армируют стальными кольцами 3. В этом случае миканитовые прокладки должны иметь размеры большие, чем у медных пластин 1, что исключит Рисунок 4.5 – Устройство замыкание пластин стальными (армиколлектора на пластмассе рующими) кольцами 3. Щеточный аппарат. Электрический контакт с коллектором осуществляется посредством щеток 11, располагаемых в щеткодержателях. Щетки представляют собой прямоугольные бруски из композиции, выполненной на основе графита. Они 1 – щетка, 2 – обойма, 3 – пружина, 4 – зажимы предназначены для соедидля крепления к щеточному пальцу, 5 – щеточ- нения коллектора с внешный канатик, 6 – нажимной палец, 7 – колпак, 8 – ней цепью и прижимаются изоляционная втулка, 9 – подшипниковый щит, к поверхности коллектора пружинами (рисунок 4.6, 10 – зажим для выводного проводника а). При вращении якоря щетки сохраняют неизРисунок 4.6 – Щеткодержатели машин менное положение по отношению к полюсам машины. Щеткодержатели укрепляют на щеточных пальцах и изолируются от них. Щеточные пальцы, в свою очередь, крепят либо к подшипниковому щиту, либо к траверсе, которая позволяет при необходимости поворачивать всю систему щеток по отношению к полюсам машины. В машинах малой мощности часто применяют трубчатые щеткодержатели (рисунок 4.6, б), устанавливаемые непосредственно на подшипниковом щите. Щетки 36

(рисунок 4.7) в зависимости от состава, способа изготовления и физических свойств могут иметь различную маркировку. Все марки щеток объединяются в шесть основных групп: угольно-графитные, графитные, электрографитированные, меднографитные, бронзо-графитные и серебряно-графитные. 1 – щетка, 2 – щеточный канатик, 3 – Помимо указанных частей макабельный наконечник шина постоянного тока имеет два подшипниковых щита: передний 12 Рисунок 4.7 – Щетки машин малой (а) (со стороны коллектора)и задний 13 и большой (б) мощно(рисунок 4.2). В центральной части сти щита имеется расточка под подшипник. 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 14 служит для самовентиляции машины: воздух поступает в машину обычно со стороны коллектора, омывает нагретые части (коллектор, обмотки и сердечники) и выходит с противоположной стороны через решетку. Таким образом, коллекторные машины постоянного тока сложнее бесколлекторных машин переменного тока и уступают им в надежности, имея при этом более высокую стоимость. 4.3 Задание

4.3.1 Изучить принцип действия и устройство машин постоянного тока. 4.3.2 Записать паспортные данные испытуемых электрических машин. 4.3.3 Собрать электрическую схему. 4.3.4 Осуществить пуск двигателя постоянного тока. 4.3.5 Снять рабочие характеристики двигателя постоянного тока. 4.3.6 Рассчитать и построить рабочие характеристики двигателя постоянного тока. 4.4 Методические указания

4.4.1 К пункту 4.3.3. Собрать схему на стенде с помощью соединительных проводов, которые выдаются преподавателем. Электрическая схема испытания представлена на рисунке 4.8.

37

Rв

РА1 А

Rя

РА2 А

Ш1

Я1

Ш2

Я2

C1

РV1 V SA1 SA2 SA3 SA4 SA5 QF 1

C2

А РА4

Я1 Ш1

Я2

Ш2

РА3

А

РV2 V Rн1 Rн2 Rн3 Rн4 Rн5

Rв

=220В Рисунок 4.8 – Схема испытания двигателя постоянного тока 4.4.2 К пункту 4.3.4. Пуск двигателя постоянного тока в режиме холостого хода производится путем включения автоматического выключателя QF 1. Пуск осуществляется при максимальном сопротивлении в цепи якоря R я и минимальном сопротивлении в цепи возбуждения Rв , а также при отключенных выключателях в цепи генератора SA 1 – SA 5. После пуска необходимо уменьшить сопротивление в цепи якоря R я до нуля. 4.4.3 К пункту 4.3.5. Рабочими характеристиками называют зависимости: n, M , I a , P1 ,η = f (P2 ), снятые при I вн = const ,U н = const . Рабочие характеристики снимаются при номинальном токе возбуждения и номинальном напряжении якоря двигателя. Снятие рабочих характеристик необходимо производить в следующей последовательности. Следует начать с установки номинального режима работы двигателя. Для этого после пуска двигателя на холостом ходу его следует нагрузить, включая последовательно выключатели SA 1 – SA 4 и увеличивая сопротивление в цепи возбуждения RВ , довести частоту вращения и ток двигателя до номинальных величин. После этого определить номинальный ток возбуждения I вн . Ток якоря двигателя увеличить до 1,25 ⋅ I н .путем изменения нагрузки на валу двигателя, что достигается путем включения выключателя SA 5. Затем, изменяя нагрузочное сопротивление Rн , снижать ток якоря I a примерно с одинаковыми интервалами, отключая для этого выключатели SA 1 – SA 5 и фиксируя показания приборов. Так как характеристики нелинейны, то необходимо снять 5 – 7 точек. Данные измерений за38

нести в таблицу 4.1. После проведения опыта отключить выключатель QF 1 при отключенных выключателях SA 1 – SA 5. Таблица 4.1 – Рабочие характеристики двигателя постоянного тока № опы та

Опытные данные Iа A

Двигатель Iв n А

об/мин

Расчетные данные

Генератор Iг Uг А

В

Генератор P2г

P2∗г

η

P1

Двигатель M P2 η

Вт

о.е.

%

Вт

Вт

%

H⋅м

4.4.4 К пункту 4.3.6. Для расчета рабочих характеристик и заполнения таблицы 4.1 необходимо воспользоваться следующими обозначениями и расчетными формулами: I a – ток в цепи якоря двигателя постоянного тока, А;

I в – ток в цепи возбуждения двигателя постоянного тока, А; I вн – номинальный ток в цепи возбуждения двигателя, А; I = I в + I a – ток двигателя, А; n – частота вращения якоря двигателя постоянного тока, об/мин; nн – номинальная частота вращения якоря двигателя, об/мин; U – напряжение на зажимах двигателя, В; U г – напряжение на зажимах генератора, В; I г – ток генератора, А;

η – коэффициент полезного действия двигателя, %; η г – коэффициент полезного действия генератора, %;

Rа – сопротивление обмотки якоря, Ом; Rв – сопротивление обмотки возбуждения, Ом; Rн – сопротивление нагрузки в цепи генератора, Ом; P2 нг – номинальная полезная мощность генератора, Вт; P1г – потребляемая мощность генератора, Вт; P2 – полезная мощность двигателя, Вт; P2 н – номинальная полезная мощность двигателя, Вт; P1 – потребляемая мощность двигателя, Вт; M – момент на валу двигателя, H ⋅ м ; P2 г = I г ⋅ U г ; P2∗г = P2 г / P2 нг = (U г ⋅ I г ) / P2 нг ; 39

P1 = I ⋅ U ; P1г = P2 г /η г ,

где η г – берется из графика, показанного на рисунке 4.10;

ηг

% 100 80 60

40 20 0 0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

о.е.

1,4

P2∗г Рисунок 4.10 – Тарировочная характеристика генератора постоянного тока

P2 = P1г ; η = P2 / P1 ;

M = (60 ⋅ U г ⋅ I г ) /(2 ⋅ π ⋅ n ⋅ η г ) . Расчетные данные необходимо занести в таблицу 4.1. По данным таблицы 4.1 нужно построить рабочие характеристики двигателя постоянного тока. Вид этих характеристик показан на рисунке 4.11. Исходя из известного номинальной мощности P2 н , взятой из паспортных данных двигателя по рабочим характеристикам нужно определить номинальные данные двигателя: I н , nн , η н и сравнить их значения с паспортными данными двигателя.

40

η

M o.e. Н ⋅ м

I1 A

P1 Вт

n

η

P1

I1

M

P2

Вт

Рисунок 4.11 – Рабочие характеристики двигателя постоянного тока

4.5 Контрольные вопросы

4.5.1 Принцип действия машины постоянного тока. 4.5.2 Устройство машины постоянного тока. 4.5.3 Каково назначение и принцип работы коллектора в генераторе и двигателе постоянного тока? 4.5.4 Какие существуют типы возбуждения машин постоянного тока. 4.5.5 Для чего магнитопровод якоря машины постоянного тока изготавливают “шихтованным”? 4.5.6 Почему станину машины постоянного тока делают из стали?11 4.5.7 Как производится снятие рабочих характеристик двигателя постоянного тока?

41

Список использованных источников

1 Брускин Д.Э., Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины. Часть 1, 2. – М.: Высшая школа, 1979. 2 Кацман М.М. Электрические машины: Учеб.для элетротехн. средн. спец. учебных заведений. - 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2002. – 469 с. 3 Общая электротехника/ Под ред. А.Т. Блажкина. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 592 с. 4 Китаев В.Е., Корхов Ю.М., Свирин В.К. Электрические машины. - Ч 1. Электрические машины постоянного тока. Трансформаторы/ Под ред. В.Е. Китаева. – М.: Высшая школа, 1978. – 184 с. 5 Китаев В.Е., Корхов Ю.М., Свирин В.К. Электрические машины. - Ч 2. Машины переменного тока/ Под ред. В.Е. Китаева. – М.: Высшая школа, 1978. – 184 с. 6 Дель Г.В., Дормидонов Ю.А., Ерунов В.П. Методические указания к лабораторным работам по разделу “Трансформаторы”. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 33 с. 7 Дель Г.В., Дормидонов Ю.А., Ерунов В.П. Асинхронные машины: Методические указания для лабораторных работ. – Оренбург: ОГУ, 1999. – 31 с. 8 Дель Г.В., Бравичев С.Н. Синхронные машины. Методические указания к лабораторным работам по курсу “Электрические машины”. – Оренбург: ОрПИ, 1983. – 48 с. 9 Дель Г.В., Дормидонов Ю.А., Ерунов В.П. Электрические машины постоянного тока: Методические указания для лабораторных работ. – Оренбург: ОГУ, 1997. – 43 с.

42