Меню

От каких величин зависит ток ротора



ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА И ТОК В ОБМОТКЕ РОТОРА

date image2015-07-14
views image2520

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Ток в обмотке ротора создается ЭДС, индуктируемой в этой об­мотке вращающимся магнитным полем машины. В большинстве слу­чаев ротор снабжен короткозамкнутой обмоткой, состоящей из N стерж­ней, замкнутых на торцевых сторонах кольцами. Между ЭДС, индук­тированными в двух соседних стержнях такой обмотки, имеет место сдвиг фаз = 360° p/N. Можно считать, что число фаз короткозамк-нутого ротора равно числу стержней, N = т2, а число витков в каж­дой такой фазе w2 = 1/2.

В случае фазного ротора по отношению к его фазной обмотке, со­держащей w2 витков и выполненной изолированным проводом, можно применить вышеприведенное понятие обмоточного коэффициента ста­тора.

Примем, что вращающийся магнитный поток остается неизменным при любой нагрузке на валу двигателя вплоть до полной остановки ротора. Это следует из (14.11а) и (14.116), если принять Zo61 = 0.

Таким образом, пока ротор неподвижен, ЭДС, индуктируемую в каждой из фаз его обмотки, можно рассчитывать по той же формуле (14.116), что и ЭДС, индуктируемую в фазной обмотке статора, т. е.

где для короткозамкнутого ротора w2 = 1/2; кобг = 1.

Но во время работы двигателя ротор вращается вслед за полем, что вызывает изменение частоты индуктируемой в его обмотке ЭДС. Чтобы определить эту частоту, мы можем воспользоваться выраже­нием (14.7) для определения частоты вращения поля: f = pn1/60. В случае вращающегося ротора вместо п1 нужно подставить разность п1п, так как вращающееся поле пересекает витки ротора только вследствие того, что он отстает от этого поля. Следовательно, частота ЭДС, индуктируемой в роторе, называемая частотой скольжения, будет:

Чтобы выразить эту частоту через частоту питающей сети f разде­лим и умножим правую часть формулы на п1, и так как

то окончательно частота скольжения

т. е. она равна частоте сети, умноженной на скольжение.

Следовательно, ЭДС фазной обмоткивращающегося ротора равна;

Эта ЭДС создает в каждой из фаз обмотки ротора ток

где rв2 — активное сопротивление витков фазной обмотки ротора; Lpac2 — индуктивность рассеяния фазной обмотки ротора, т. е. ин­дуктивность, обусловленная той частью потокосцепления с фазной обмоткой ротора, которая не сцепляется с обмоткой статора. Полное сопротивление фазной обмотки ротора равно:

где активное сопротивление rв2 и индуктивность рассеяния Lpac 2 можно для упрощения считать не зависящими от скольжения. Следо­вательно, полное сопротивление фазной обмотки ротора возрастает с увеличением скольжения s. С учетом того, что E2Hs = Е2 получим:

Ток в обмотке ротора увеличивается с увеличением скольжения вследствие возрастания в фазной обмотке ротора ЭДС Е2 = E2Hs, но одновременно увеличивается индуктивное сопротивление фазной обмотки ротора s Lpac2. Благодаря этому ток возрастает далеко не в такой мере, в какой увеличивается ЭДС фазной обмотки ротора. В частности, если принять при номинальной нагрузке s = 0,02, то при пуске двигателя, когда s = 1, ЭДС возрастает по сравнению с рабочими условиями в 50 раз, но ток при пуске будет больше номи­нального примерно только в 6,5 раза. Это дает возможность в совре­менных сетях пускать асинхронные двигатели без применения при­способлений, ограничивающих пусковой ток.

Источник

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку якоря; изменение магнитного потока; включение добавочного сопротивления в цепь якоря

Электротехника

1. Почему станину машины постоянного тока выпускают из толстой листовой стали, а сердечник якоря из тонких отдельных пластин?

Сердечник из пластин для уменьшения потерь на вихревые токи и перемагничивание.

Станина машины постоянного тока выполняется массивной из литой стали, так как благодаря постоянству по величине и неподвижности магнитного поля в пространстве в этой части машины отсутствуют потери энергии на вихревые токи.

2. Какими способами можно регулировать частоту вращения двигателей постоянного тока?

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку якоря; изменение магнитного потока; включение добавочного сопротивления в цепь якоря

3. Почему по мере разгона двигателя постоянного тока уменьшается Iя?

Во время пуска возникает большой пусковой ток. Возникает потому, что сопротивление в цепи якоря Rя невелико, подаваемое напрядение U номинальное, а ЭДС E, которая в рабочем положении уравновешивает большую часть приложенного напряжения, в момент пуска равна нулю.

4. Почему пусковой реостат после пуска двигателя необходимо вывести?

Пусковой ток постепенно будет уменьшаться до рабочего значения, следовательно для работы двигателя нужно уменьшить сопротивление.

5. Какая часть машины постоянного тока предназначена для преобразования переменных величин в постоянные?

6. Какие существуют способы реверсирования двигателей постоянного тока?

Можно осуществить, изменив направление вращающего момента M. Обычно для реверса изменяют полярность напряжения на обмотке якоря, т.е. направление тока в обмотке якоря.

7. При каких условиях и как осуществляется процесс самовозбуждения генератора постоянного тока с параллельным возбуждением?

Условия:наличие в магнитной цепи машины потока остатончного магнетизма; магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения направлен согласно с магнитным потоком остаточного магнетизма; сопротивление цепи возбуждения меньше критического.

Принцип:Магнитная цепь машины имеет небольшой остаточный магнитный поток (примерно 2-3% номинального). При вращении якоря в поле остаточного потока в нем наводится небольшая ЭДС, вызывающая некоторый ток в обмотке возбуждения. При соответствующем направлении он увеличивает остаточный магнитный поток, ЭДС в якоре возрастает и процесс развивается лавинообразно до тех пор, пока не будет ограничен насыщением магнитной цепи.

8. Как протекает процесс саморегулирования двигателя постоянного тока?

при изменении момента сопротивления нагрузки на валу изменяется угол рассогласования и электромагнитный вращающий момент становится равным моменту нагрузки. При этом изменяются активная мощность и ток статора двигателя. Но частота вращения остается неизменной: механическая характеристика синхронного двигателя — зависимость — представляет собой горизонтальный отрезок прямой.

9. Зарисуйте внешнюю характеристику генератора с параллельным возбуждением и укажите на ней токи: кор, зам, крит, номин.

10. Почему машина постоянного тока не боится режима КЗ?

В генераторах с параллельным возбуждением увеличение нагрузки ведет к уменьшению напряжения на зажимах генератора. Последующее уменьшение сопротивления внешней цепи ведет к резкому уменьшению напряжения на зажимах генератора, а следовательно, и к уменьшению тока в цепи.

-При коротком замыкании напряжение на полюсах генератора окажется равным нулю.

Поэтому генераторы с параллельным возбуждением не боятся короткого замыкания.

11. К чему приводит реакция якоря?

Снижается ЭДС машины и ухудшаются условия работы коллектора-усиливается искрение под щетками.

12. Почему при установке дополнительных полюсов в машине постоянного тока уменьшается искрение щеток?

Искрение возрастает с увеличением тока якоря и частоты его вращения. Для улучшения коммутации между основными полюсами устанавливают дополнительные полюса, токи обмоток которых создают в зоне коммутации магнитный поток, противоположный магнитному потоку якоря.

13. Можно ли реверсировать двигатель постоянного тока параллельного и последовательного возбуждения, меняя полярности напряжение источника?

14. В каком двигателе постоянного тока при одинаковом пусковом токе можно получить наибольший пусковой момент?

15. Зачем необходимо устанавливать в двигателях Rдоб и куда его подключать?

Подключается в цепь якоря. Устанавливается для защиты цепи якоря от сгорания в процессе пуска двигателя. Так как пусковой ток очень большой.

16. Почему при пуске двигателя постоянного тока средней и большой мощности стараются уменьшить пусковой ток?

Чтобы не сгорела обмотка якоря.

17. Почему реакция якоря является отрицательным явлением?

Так как . Потому что в результате этого явления ток якоря создает свой магнитный поток, который искажает и даже уменьшает основной магнитный поток машины.

18. Какое различие в формулах электрического состояния якоря генератора и двигателя?

Ток якоря сонаправлен с ЭДС в генераторе, а в двигателе ток противоположно-направлен ЭДС. Соответственно для генератора . Для двигателя .

19. Как регулируется частота вращения в двигателях постоянного тока?

Изменение напряжения, подаваемого на обмотку якоря; изменение магнитного потока; включение добавочного сопротивления в цепь якоря

21. Что показывает внешняя характеристика генератора с параллельным возбуждением?

Характеристика показывает, что с увеличением нагрузки напряжение генератора уменьшается.

22. Почему двигатель называют асинхронным?

Потому что частота вращения магнитного поля ротора не совпадает с частотой вращения магнитного поля статора. Она всегда меньше частоты вращения магнитного поля статора.

23. От чего зависит частота вращения магнитного поля асинхронного двигателя?

От числа пар полюсов, значения или частоты питающего напряжения.

24. Почему пусковой ток асинхронного двигателя больше номинального?

Вращающееся магнитное поле статора наводит в неподвижном

роторе очень большую ЭДС(скольжение в этот момент максимально). Высокая ЭДС и вызывает скачок пускового тока, в 8-10 раз превышающего номинальный.

25. Чем определяется частота вращения ротора синхронного генератора при заданной частоте напряжения на его зажимах?

частота вращения ротора n=60f/p (об/мин), где f-частота напряжения, p-число пар полюсов ротора.

26. Какие существуют способы пуска трехфазных синхронных машин (этого вопроса нет, блядь в лекциях!)?

Пуск синхронных двигателей может быть:

– при помощи разгонного двигателя;

При пуске синхронного двигателя с помощью разгонного двигателя может использоваться асинхронный, имеющий большую, чем синхронную частоту вращения, или двигатель постоянного тока, если есть источник постоянного тока. Пуск с помощью разгонного двигателя применяется редко, так как разгонный двигатель используется только при пуске.

Читайте также:  Поверхностные упрочнения закалка токами высокой частоты

При частотном пуске обмотка статора синхронного двигателя подключается к преобразователю частоты. Синхронный двигатель с частотным пуском входит в синхронизм при малых частотах. Частотный пуск удобно использовать, если преобразователь частоты можно применять для пуска нескольких двигателей.

Наиболее распространенным является асинхронный пуск. Этот способ пуска возможен при наличии в полюсных наконечниках ротора пусковой короткозамкнутой обмотки (клетки). Схема включения двигателя при этом способе приведена на рис. 18.2.

Невозбужденный синхронный двигатель включают в сеть. Возникшее при этом вращающееся магнитное поле статора наводит в стержнях пусковой клетки эдс, которые создают токи I2. Взаимодействие этих токов с полем статора вызывает вращение ротора. После разгона ротора до частоты вращения близкой к синхронной ( ) обмотку возбуждения подключают к источнику постоянного тока. Образующийся при этом синхронный момент втягивает ротор двигателя в синхронизм.

В процессе асинхронного пуска магнитный поток статора наводит в обмотке возбуждения ротора эдс, особенно значительной величины в начальный период пуска, так как скорость пересечения полем статора обмотки ротора в этот период наибольшая. Из-за большого числа витков обмотки возбуждения эта эдс достигает значений, опасных как для целости изоляции самой обмотки, так и для обслуживающего персонала. Для исключения этого обмотку возбуждения на период разгона замыкают на активное сопротивления r переключателем П (рис. 18.2).

Конструкция синхронных двигателей сложнее, чем короткозамкнутых асинхронных двигателей. Кроме того, синхронные двигатели должны иметь возбудитель или иное устройство для питания обмотки возбуждения постоянным током. Вследствие этого синхронные двигатели дороже асинхронных короткозамкнутых двигателей.

27. Какие паспортные данные у машин постоянного тока являются основными?

— напряжение на зажимах, U, B;

— полезная электрическая мощность, Р , Вт;

— частота вращения якоря n, мин .

Номинальные значения этих величин входят в паспортные данные всех генераторов постоянного тока. Можно указать и ряд дополнительных величин, например, число пар полюсов Р, сопротивления обмоток Rя, Rш, Rc и т.п. Основную группу характеристик снимают при неизменной частоте вращения якоря.

Основными характеристиками ГПТ являются:

(Uo — напряжение холостого хода генератора).

(Rв— сопротивление реостата в цепи возбуждения).

(Uном — номинальное напряжение генератора).

28. Что показывает характеристика холостого хода генератора с параллельным возбуждением?

Характеристику холостого хода генератора с параллельным возбуждением снимают при независимом возбуждении (когда ток в якоре Iя = 0), поэтому она ничем не отличается от соответствующей характеристики для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, а). Регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением имеет такой же вид, как и характеристика для генератора с независимым возбуждением (см. рис. 121, в). Значит, она показывает зависимость напряжения от тока при нулевом токе в якоре.

29. В какой из машин постоянного тока процесс самовозбуждения невозможен?

В генераторе с независимым возбуждением.

30. От какой величины зависят все рабочие характеристики машин постоянного тока?

31. От чего зависит частота вращения магнитного поля асинхронного двигателя?

При включении обмотки статора в сеть трехфазного тока возникает вращающееся магнитное поле статора с частотой вращения n1. Магнитные линии вращающегося магнитного поля статора пронизывают обмотку ротора и наводят в ней ЭДС. Обмотка ротора замкнута, поэтому ЭДС ротора создает в стрежнях обмотки ротора токи. Взаимодействие этих токов с полем статора создает на роторе электромагнитные силы Fэм, которые стремятся развернуть ротор в направлении вращения магнитного поля статора. Частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения статора, так как только в этом случае происходит наведение ЭДС в обмотке ротора двигателя.

32. Во сколько раз изменятся f2 E2s X2s при переключении выводов трехфазных асинхронных двигателей со звезды на треугольник (это что, блеать?!)?

Данные значения не должны измениться.

33. Почему трехфазные двигатели переменного и постоянного тока включаются в трехфазную сеть звездой без использования нейтрального провода?

Так как напряжение на обмотке возбуждения и на обмотке якоря практически одинаковы, то нейтральный провод не нужен.

34. От каких величин зависит электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя?

В первую очередь — от электромагнитной силы, которую создает ток, в обмотке ротора, взаимодействующий с обмоткой ротора, вызываемый ЭДС, которая в свою очередь вызвана магнитным полем статора.

35. Почему при изменениях величины и характера нагрузки происходит изменение напряжения на выводах синхронного генератора?

Так как при подключении нагрузки в фазах обмотки статора появляются токи. При этом трехфазная обмотка статора создает вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля равно частот е вращения ротора генератора. В связи с этим происходит изменение напряжения, стабилизация которого должна приходить за счет изменения величины постоянного тока в обмотке возбуждения машины.

36. Как осуществить изменение направления вращения ротора синхронного генератора?

Для изменения направления вращения синхронного генератора необходимо переключить концы обмоток возбуждения так, чтоб направление тока в обмотке возбуждения не изменилось.

37. От каких величин зависит электромагнитный вращающий момент асинхронного двигателя?

Источник

Электрический двигатель постоянного тока

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Лишь в конце XIX столетия синхронными электродвигателями начали оснащать промышленные машины. Этому способствовало осознание принципа преобразования электродвигателем постоянного тока механической энергии в электричество. То есть, используя электродвигатель в режиме генератора, удалось получать электроэнергию, производство которой оказалось существенно дешевле от затрат на выпуск гальванических элементов. С тех пор электродвигатели совершенствовались и стали завоёвывать прочные позиции во всех сферах нашей жизнедеятельности.

Устройство и описание ДПТ

Конструктивно электродвигатель постоянного тока устроен по принципу взаимодействия магнитных полей.

Самый простой ДПТ состоит из следующих основных узлов:

Схематическое изображение простейшего ДПТ

  1. Двух обмоток с сердечниками, соединенных последовательно. Данная конструкция расположена на валу и образует узел, называемый ротором или якорем.
  2. Двух постоянных магнитов, повёрнутых разными полюсами к обмоткам. Они выполняют задачу неподвижного статора.
  3. Коллектора – двух полукруглых, изолированных пластин, расположенных на валу ДПТ.
  4. Двух неподвижных контактных элементов (щёток), предназначенных для передачи электротока через коллектор до обмоток возбуждения.

Рисунок 1. Схематическое изображение простейшего электродвигателя постоянного тока.

Рассмотренный выше пример – это скорее рабочая модель коллекторного электродвигателя. На практике такие устройства не применяются. Дело в том, что у такого моторчика слишком маленькая мощность. Он работает рывками, особенно при подключении механической нагрузки.

Статор (индуктор)

В моделях мощных современных двигателях постоянного тока используются статоры, они же индукторы, в виде катушек, намотанных на сердечники. При замыкании электрической цепи происходит образование линий магнитного поля, под действием возникающей электромагнитной индукции.

Для запитывания обмоток индуктора ДПТ могут использоваться различные схемы подключения:

  • с независимым возбуждением обмоток;
  • соединение параллельно обмоткам якоря;
  • варианты с последовательным возбуждением катушек ротора и статора;
  • смешанное подсоединение.

Схемы подключения наглядно видно на рисунке 2.

Схемы подключения обмоток статора

Рисунок 2. Схемы подключения обмоток статора ДПТ

У каждого способа есть свои преимущества и недостатки. Часто способ подключения диктуется условиями, в которых предстоит эксплуатация электродвигателя постоянного тока. В частности, если требуется уменьшить искрения коллектора, то применяют параллельное соединение. Для увеличения крутящего момента лучше использовать схемы с последовательным подключением обмоток. Наличие высоких пусковых токов создаёт повышенную электрическую мощность в момент запуска мотора. Данный способ подходит для двигателя постоянного тока, интенсивно работающего в кратковременном режиме, например для стартера. В таком режиме работы детали электродвигателя не успевают перегреться, поэтому износ их незначителен.

Ротор (якорь)

В рассмотренном выше примере примитивного электромотора ротор состоит из двухзубцового якоря на одной обмотке, с чётко выраженными полюсами. Конструкция обеспечивает вращение вала электромотора.

В описанном устройстве есть существенный недостаток: при остановке вращения якоря, его обмотки занимают устойчивое. Для повторного запуска электродвигателя требуется сообщить валу некий крутящий момент.

Этого серьёзного недостатка лишён якорь с тремя и большим количеством обмоток. На рисунке 3 показано изображение трёхобмоточного ротора, а на рис. 4 – якорь с большим количеством обмоток.

Ротор с тремя обмоткамиРисунок 3. Ротор с тремя обмотками Якорь со многими обмоткамиРисунок 4. Якорь со многими обмотками

Подобные роторы довольно часто встречаются в небольших маломощных электродвигателях.

Для построения мощных тяговых электродвигателей и с целью повышения стабильности частоты вращения используют якоря с большим количеством обмоток. Схема такого двигателя показана на рисунке 5.

Схема электромотора с многообмоточным якорем

Рисунок 5. Схема электромотора с многообмоточным якорем

Коллектор

Если на выводы обмоток ротора подключить источник постоянного тока, якорь сделает пол-оборота и остановится. Для продолжения процесса вращения необходимо поменять полярность подводимого тока. Устройство, выполняющее функции переключения тока с целью изменения полярности на выводах обмоток, называется коллектором.

Самый простой коллектор состоит из двух, изолированных полукруглых пластин. Каждая из них в определённый момент контактирует со щёткой, с которой снимается напряжение. Одна ламель всегда подсоединена к плюсу, а вторая – к минусу. При повороте вала на 180º пластины коллектора меняются местами, вследствие чего происходит новая коммутация со сменой полярности.

Такой же принцип коммутации питания обмоток используются во всех коллекторах, в т. ч. и в устройствах с большим количеством ламелей (по паре на каждую обмотку). Таким образом, коллектор обеспечивает коммутацию, необходимую для непрерывного вращения ротора.

Читайте также:  Особенности работы машин постоянного тока при пульсирующем напряжении

В современных конструкциях коллектора ламели расположены по кругу таким образом, что каждая пластина соответствующей пары находится на диаметрально противоположной стороне. Цепь якоря коммутируется в результате изменения положения вала.

Принцип работы

Ещё со школьной скамьи мы помним, что на провод под напряжением, расположенный между полюсами магнита, действует выталкивающая сила. Происходит это потому, что вокруг проволоки образуется магнитное поле по всей его длине. В результате взаимодействия магнитных полей возникает результирующая «Амперова» сила:

F=B×I×L, где B означает величину магнитной индукции поля, I – сила тока, L – длина провода.

Вектор «Амперовой» всегда перпендикулярен до линий магнитных потоков между полюсами. Схематически принцип работы изображён на рис. 6.

Принцип работы ДПТ

Рис. 6. Принцип работы ДПТ

Если вместо прямого проводника возьмём контурную рамку и подсоединим её к источнику тока, то она повернётся на 180º и остановится в в таком положении, в котором результирующая сила окажется равной 0. Попробуем подтолкнуть рамку. Она возвращается в исходное положение.

Поменяем полярность тока и повторим попытку: рамка сделала ещё пол-оборота. Логично припустить, что необходимо менять направление тока каждый раз, когда соответствующие витки обмоток проходят точки смены полюсов магнитов. Именно для этой цели и создан коллектор.

Схематически можно представить себе каждую якорную обмотку в виде отдельной контурной рамки. Если обмоток несколько, то в каждый момент времени одна из них подходит к магниту статора и оказывается под действием выталкивающей силы. Таким образом, поддерживается непрерывное вращение якоря.

Типы ДПТ

Существующие электродвигатели постоянного тока можно классифицировать по двум основным признакам: по наличию или отсутствию в конструкции мотора щеточно-коллекторного узла и по типу магнитной системы статора.

Рассмотрим основные отличия.

По наличию щеточно-коллекторного узла

Двигатели постоянного тока для коммутации обмоток, которых используются щёточно-коллекторные узлы, называются коллекторными. Они охватывают большой спектр линейки моделей электромоторов. Существуют двигатели, в конструкции которых применяется до 8 щёточно-коллекторных узлов.

Функции ротора может выполнять постоянный магнит, а ток от электрической сети подаётся непосредственно на обмотки статора. В таком варианте отпадает надобность в коллекторе, а проблемы, связанные с коммутацией, решаются с помощью электроники.

В таких бесколлекторных двигателях устранён один из недостатков –искрение, приводящее к интенсивному износу пластин коллектора и щёток. Кроме того, они проще в обслуживании и сохраняют все полезные характеристики ДПТ: простота в управлении связанном с регулировкой оборотов, высокие показатели КПД и другие. Бесколлекторные моторы носят название вентильных электродвигателей.

По виду конструкции магнитной системы статора

В конструкциях синхронных двигателей существуют модели с постоянными магнитами и ДПТ с обмотками возбуждения. Электродвигатели серий, в которых применяются статоры с потоком возбуждения от обмоток, довольно распространены. Они обеспечивают стабильную скорость вращения валов, высокую номинальную механическую мощность.

О способах подключения статорных обмоток шла речь выше. Ещё раз подчеркнём, что от выбора схемы подключения зависят электрические и тяговые характеристики двигателей постоянного тока. Они разные в последовательных обмотках и в катушках с параллельным возбуждением.

Управление

Не трудно понять, что если изменить полярность напряжения, то направление вращения якоря также изменится. Это позволяет легко управлять электромотором, манипулируя полярностью щеток.

Механическая характеристика

Рассмотрим график зависимости частоты от момента силы на валу. Мы видим прямую с отрицательным наклоном. Эта прямая выражает механическую характеристику электродвигателя постоянного тока. Для её построения выбирают определённое фиксированное напряжение, подведённое для питания обмоток ротора.

Примеры механических характеристик ДПТ

Примеры механических характеристик ДПТ независимого возбуждения

Регулировочная характеристика

Такая же прямая, но идущая с положительным наклоном, является графиком зависимости частоты вращения якоря от напряжения питания. Это и есть регулировочная характеристика синхронного двигателя.

Построение указанного графика осуществляется при определённом моменте развиваемом ДПТ.

Регулировочная характеристика ДПТ

Пример регулировочных характеристик двигателя с якорным управлением

Благодаря линейности характеристик упрощается управление электродвигателями постоянного тока. Поскольку сила F пропорциональна току, то изменяя его величину, например переменным сопротивлением, можно регулировать параметры работы электродвигателя.

Регулирование частоты вращения ротора легко осуществляется путём изменения напряжения. В коллекторных двигателях с помощью пусковых реостатов добиваются плавности увеличения оборотов, что особенно важно для тяговых двигателей. Это также один из эффективных способов торможения. Мало того, в режиме торможения синхронный электродвигатель вырабатывает электрическую энергию, которую можно возвращать в энергосеть.

Области применения

Перечислять все области применения электродвигателей можно бесконечно долго. Для примера назовём лишь несколько из них:

  • бытовые и промышленные электроинструменты;
  • автомобилестроение – стеклоподъёмники, вентиляторы и другая автоматика;
  • трамваи, троллейбусы, электрокары, подъёмные краны и другие механизмы, для которых важны высокие параметры тяговых характеристик.

Преимущества и недостатки

К достоинствам относится:

  • Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;
  • Легко регулируемая частота вращения;
  • хорошие пусковые характеристики;
  • компактные размеры.

У асинхронных электродвигателей, являющихся двигателями переменного тока очень трудно достичь таких характеристик.

Недостатки:

  • ограниченный ресурс коллектора и щёток;
  • дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;
  • ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;
  • дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

Видео в дополнение к написанному



Источник

От каких величин зависит ток ротора

2.3. Асинхронная электрическая машина

Самым распространенным двигателем в промышленности является асинхронный двигатель. На рис.2.10 показаны конструкция и схема включения статорных и роторных обмоток трехфазного асинхронного двигателя.

Рис.2.10. Конструкция (а) и схема включения статорных и роторных обмоток (б) трехфазного асинхронного двигателя

В неподвижном статоре расположены три катушки, создающие круговое вращающееся магнитное поле, а во вращающемся роторе — три катушки, замкнутые накоротко или на внешние сопротивления через контактные кольца и щетки. Если число катушек обмотки статора равно 3, т. е. на каждую фазу одна катушка, то за одну минуту вектор сделает 60 f оборотов вокруг оси статора. При необходимости иметь меньшую скорость применяются многополюсные обмотки. Каждая обмотка имеет одну пару полюсов. Если к каждой фазе подключить катушек, то общее число катушек обмотки статора будет равно . Для характеристики размещения обмотки вдоль рабочего зазора двигателя введено понятие полюсного деления :

D — внутренний диаметр статора.

За один период переменного тока вращающееся магнитное поле поворачивается на двойное полюсное деление 2 : , а полный оборот вокруг оси машины оно делает за периодов. Следовательно:

за время ( ) с — 1 оборот;

за минуту в 60 раз больше, т. е.

— частота питающей сети.

Вращающийся магнитный поток Ф индуктирует в обмотках статора и ротора ЭДС и .

Так как обмотка ротора закорочена, то в ней возникает ток , который, взаимодействуя с магнитным полем, вызовет появление вращающегося момента . В результате ротор начнет вращаться в сторону вращения магнитного поля. Величина ЭДС и частота ее изменения зависят от скорости пересечения вращающим магнитным полем проводников обмотки ротора, т. е. от разности скоростей вращения магнитного поля и ротора . При равенстве этих скоростей ЭДС , частота , ток и момент будут равны нулю. По этой причине электрические машины, работающие на этом принципе, называют асинхронными.

Относительная разность скоростей вращения поля и ротора

называется скольжением. Нетрудно видеть, что

В заторможенном режиме асинхронная машина работает в режиме трансформатора; ее схема замещения подобна схеме замещения приведенного трансформатора. Ток холостого хода асинхронной машины значительно выше, чем у трансформатора, так как в ней имеется рабочий зазор. Поэтому этот режим работы машины редко применяется.

В рабочем режиме частота равна

Энергетическая диаграмма работы машины имеет вид (рис.2.11):

Рис.2.11.Энергетическая диаграмма работы электрической машины

Мощность, потребляемую из электрической сети можно определить, используя выражение:

В ротор передается электромагнитная мощность (рис.2.11).

Часть этой мощности расходуется на покрытие электрических потерь в обмотке ротора; оставшаяся часть превращается в механическую мощность

Потери в сердечнике ротора из-за малой величины частоты (1 ё 3 Гц) практически отсутствуют. Для электромагнитной мощности можно написать:

— угловая скорость вращения магнитного поля.

— угловая скорость вращения ротора.

Схема замещения цепи ротора при его вращении имеет вид (рис.2.12):

Рис.2.12. Схема замещения цепи ротора

Из рис.2.12 можем записать:

Так как (здесь — индуктивное сопротивление заторможенного ротора), то

Теперь схему замещения ротора можно представить в виде (рис.2.13):

Рис.2.13. Схема замещения роторной цепи машины при вращении ротора без выделения (а) и с выделением (б) сопротивления механической мощности

Читайте также:  Формула реактивной мощности в цепях переменного тока

Сопротивление учитывает выходную механическую мощность асинхронной машины (рис. 2.13б). Полная схема замещения асинхронной машины имеет вид (рис.2.14а):

Рис.2.14 Полная схема замещения асинхронной короткозамкнутой машины (а) и ее упрощенная схема (б)

Без большой погрешности намагничивающую часть схемы можно непосредственно подключить к питающему напряжению (рис.2.14б). Ошибка, вносимая этим допущением, невелика потому, что в последней схеме не учитывается лишь влияние падения напряжения на активном сопротивлении первичной обмотки и индуктивности рассеяния первичной обмотки от намагничивающего тока на величину тока ротора. Эта схема не отражает зависимости намагничивающего тока от нагрузки двигателя, так как определяет неизменное значение этого тока

Определим ток фазы ротора как функцию параметров двигателя:

где — индуктивное сопротивление короткого замыкания.

Величина определяется выражением

Критическое скольжение, соответствующее максимуму момента определяется дифференцированием полученного выражения по и последующим приравниванием к нулю результата:

Подставив полученное выражение в зависимость , получим

С учетом последних двух зависимостей, выражение для M может быть представлено в виде так называемой уточненной формулы Клосса:

Анализ выражения механической характеристики показывает, что при она близка к линейной зависимости , а в области больших скольжений имеет гиперболический характер: . Максимальный момент, развиваемый асинхронной машиной в двигательном режиме меньше, чем соответствующее значение момента для генераторного режима работы . С помощью выражения для эту разницу можно выразить количественно:

— модуль критического скольжения.

По выражению (2.20) на рис. 2.15 построена зависимость момента от скольжения M=F(s).

Рис. 2.15. Зависимость момента асинхронной машины от скольжения

В реальных асинхронных машинах ЭДС и магнитный поток при работе машины в двигательном режиме по мере роста нагрузки и связанного с ним падения напряжения в цепи статора снижаются. Изменение фазы тока статора и падения напряжения на сопротивлении приводят к тому, что ЭДС двигателя и поток в области малых скольжений возрастают и превышают значения, соответствующие идеальному холостому ходу. Поэтому в соответствии с выражением максимум момента в генераторном режиме при больше, чем в двигательном. Двигатель с фазным ротором обеспечивает возможность изменения параметров цепей ротора путем введения добавочных сопротивлений. Механические характеристики двигателя с фазным ротором (2.16а):

Рис. 2.16. Механические характеристики асинхронной машины при различных способах управления изменениями: активного сопротивления в цепи ротора (а), реактивного сопротивления в цепи статора (б), напряжения (в) и частоты (г) питающей цепи

Максимум момента не зависит от величины суммарного сопротивления в цепи фазы ротора, а критическое скольжение увеличивается пропорционально суммарному сопротивлению :

Из характеристик рис. 2.16a видно, что при пуске двигателя выгодно иметь большое сопротивление , т.к. при этом обеспечивается большая величина пускового момента. Увеличение сопротивления в цепи ротора ограничивает также ток в двигателе в режиме противовключения. Плавным изменением сопротивления при торможении противовключением и последующем пуске в противоположном направлении можно обеспечить постоянство тормозного и пускового моментов двигателя в этих режимах.

Модуль жесткости рабочего участка механической характеристики обратно пропорционален величине , поэтому реостатные характеристики двигателя при больших добавочных сопротивлениях имеют невысокую жесткость.

При введении в цепь ротора добавочных индуктивных сопротивлений, уменьшаются величины и . Влияние добавочных сопротивлений, включенных в цепь статора , аналогично влиянию добавочных индуктивностей (рис. 2.16б).

В пределах рабочего участка механической характеристики асинхронной машины, когда ток статора существенно не превышает номинальное значение, ЭДС двигателя E незначительно отличается от напряжения сети:

Из этого выражения следует, что при изменение напряжения приводит к изменению потока машины. Так как в номинальном режиме магнитная цепь машины насыщена, то повышение напряжения питания даже на 20-30% может увеличить ток холостого хода машины до значений, превышающих номинальный ток , и двигатель может нагреться выше нормы даже при отсутствии полезной нагрузки на его валу. Снижение напряжения питания приводит к уменьшению магнитного потока. Форма механических характеристик асинхронной машины при , (рис. 2.16в) говорит о том, что пропорционален квадрату приложенного напряжения, а .

При , изменение частоты питающего напряжения приводит к пропорциональному изменению величины . Так как , то обратно пропорционален частоте . В номинальном режиме машина насыщена при , поэтому допустимо только увеличение частоты , что вызывает соответствующее уменьшение потока . В соответствии с выражением

увеличение приводит к уменьшению критического момента. Критическое скольжение при этом также уменьшается, а скорость холостого хода увеличивается.

При необходимости уменьшения частоты для снижения скорости необходимо дополнительно изменить напряжение питания так, чтобы поток поддерживался примерно постоянным.

Устойчивость работы электродвигателя — способность двигателя восстанавливать установившуюся скорость вращения при небольших кратковременных возмущающих воздействиях (по питающей сети, по моменту нагрузки).

Условие равновесия моментов, приложенных к ротору двигателя:

— электромагнитный момент двигателя;

— статический момент нагрузки (с учетом механических потерь в двигателе);

— динамический момент, зависящий от момента инерции вращающихся масс и ускорения ротора .

В статике , ускорение ротора , т. е. ротор вращается с установившейся скоростью. При вращение ротора ускоряется, а при — замедляется.

Условие имеет место при двух величинах скольжения и , соответственно в точках A и B (рис. 2.17).

Рис. 2.17. К устойчивости работы асинхронного двигателя

При малейшем изменении момента нагрузки и появляющемся в результате этого отклонения скорости вращения от установившегося значения появляется избыточный замедляющий или ускоряющий момент , увеличивающий это отклонение. При случайном увеличении статического момента ротор двигателя замедляется и скольжение возрастает. Так как точка B соответствует ниспадающему участку механической характеристики, то при этом момент двигателя также уменьшается, что приведет к еще большему увеличению модуля разности и увеличению скольжения. Этот процесс будет протекать до полной остановки двигателя. При случайном уменьшении статического момента ротор ускоряется, скольжение уменьшается. Момент двигателя вследствие уменьшения скольжения возрастает, что приводит к увеличению разности , а значит и к дальнейшему снижению скольжения. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока машина не перейдет в режим работы, соответствующий точке A . В этой точке режим работы машины устойчив, так как случайное увеличение и замедление ротора (увеличение скольжения) приведет к возрастанию момента и уменьшению модуля разности . Наоборот, случайное уменьшение статического момента и ускорение ротора (уменьшение скольжения) приведет к уменьшению модуля разности . В результате разность, в обоих случаях, начнет уменьшаться и когда момент станет равным , двигатель снова будет работать с установившейся скоростью. Условие устойчивой работы асинхронного двигателя:

Это условие выполняется для всех практически встречающихся механизмов, если двигатель работает на участке OM механической характеристики. Следовательно, двигатель может работать устойчиво только в диапазоне скольжений ротора . Для расширения диапазона устойчивой работы точку M механической характеристики асинхронной машины надо сдвигать вправо. Это можно осуществить в случае применения двигателя с фазовым ротором включением в цепь ротора дополнительного активного сопротивления .

Приведенное выше условие является необходимым, но недостаточным. Когда двигатель работает при скольжении, меньшем , но близком к нему, случайная перегрузка двигателя может привести к его остановке, если на краткое (или длительное) время . Поэтому максимальный момент иногда называют опрокидывающим моментом. Для того чтобы двигатель работал надежно, его номинальный режим выбирают таким, чтобы

Так как величина момента пропорциональна квадрату питающего напряжения, то даже сравнительно небольшое изменение питающего напряжения может привести к существенному снижению .

Характеристиками асинхронного двигателя называются зависимости скорости вращения (или скольжения ), момента на валу , тока статора , коэффициента полезного действия и коэффициента мощности , от полезной мощности при и . Характеристики определяются либо экспериментальным, либо расчетным (по схеме замещения) путями. Они строятся только для зоны устойчивой работы двигателя, т. е. от скольжения, равного нулю, до скольжения, превышающего номинальное на 10-20%. Перечисленные выше характеристики имеют вид (рис.2.18):

Рис. 2.18. Рабочие характеристики асинхронного двигателя

Скорость вращения ротора в режиме полной нагрузки лишь на 2-8% меньше скорости холостого хода, т.к. при проектировании асинхронной машины с целью уменьшения потерь в обмотке ротора стремятся снизить скольжение двигателя в номинальном режиме его работы до величины 0,02 ё 0,06. Следовательно, скоростная характеристика асинхронного двигателя является довольно «жесткой».

Вращающий момент на валу машины определяется выражением , где — угловая скорость вращения ротора. Так как изменяется незначительно (вследствие жесткости скоростной характеристики), то зависимость момента от мощности имеет практически линейный характер.

Момент несколько меньше электромагнитного момента : , где — момент, обусловленный трением в двигателе.

Зависимость тока статора асинхронного двигателя от полезной мощности имеет примерно такой же характер, как в трансформаторе ток — статора зависит от тока нагрузки. Но величина тока холостого хода двигателя значительно больше, чем у трансформатора (20 ё 40% у асинхронного двигателя и 5-10% у трансформатора).

Зависимость коэффициента полезного действия асинхронного двигателя такая же, как и у трансформатора.

Коэффициент мощности асинхронного двигателя при переходе от режима холостого хода к режиму номинальной нагрузки возрастает от значения ё 0,18 до некоторой максимальной величины, которая для двигателей малой мощности составляет 0,6 ё 0,85, а для двигателей средней и большой мощности 0,85 ё 0,92. При дальнейшем росте нагрузки несколько уменьшается.

Источник