Электрические машины постоянного тока. Лекция №14 (6.11-7.4)

1. Лекция №14

18.05.21

2. 6. Электрические машины постоянного тока

6.11. Способы регулирования частоты в ДПТ
6.12. Баланс мощностей в МПТ

3. §6.11 Якорное регулирование

Заключается в изменении напряжения, подводимого к
якорю двигателя.
Возможно только для ДПТ независимого возбуждения, так
как только в них возможно изменение напряжения без
изменения магнитного потока полюсов
Обратная последовательность – это пуск двигателя при
пониженном напряжении.
U
R
M
M
n0 1
n0 n
n
1 Я
cE
U cM
MП
Изменяется частота холостого хода n0 и пусковой момент MП.
Достоинство
–
сохраняется
наклон
(жесткость)
характеристики.
Недостаток – требуется дорогой отдельный источник
регулируемого напряжения.

4. §6.11 Якорное регулирование

n
E
U
R
M
n0 n
1 Я
cE cE
U cM
U
M cM I Я
U E
IЯ
RЯ
n
n0
Uном
nном
U1< Uном
свойство
саморегулирования
n
IЯ
U2<U1
E cE n
U E
RЯ
M ЭМ MН
n2 n1
M cM I Я
Новый
установившийся
режим
0
Mном
M

5. §6.12. Баланс мощностей в ГПТ

Pэл=UIн=P2
Pмех=MW=P1
Pэм=EIя
ΔPэ.в.
ΔPэ.я.
ΔPмех
ΔPмагн
Затраченная мощность – механическая Pмех, полезная мощность –
электрическая Pэл.
Магнитные потери – потери в магнитопроводе якоря вследствие
его перемагничивания при вращении. Это постоянные потери,
они не зависят от режима работы ГПТ. Их можно уменьшить,
выполняя сердечник якоря из отдельных листов (шихтованным).
Механические потери (постоянные) – потери на трение в якоре.
Электрические потери – связаны с нагревом обмоток якоря и
возбуждения. Потери переменные, зависят от режима работы.

6. §6.12. Баланс мощностей в ДПТ

Pмех=MW=P2
Pэл=UI=P1
Pэм=EIя
ΔPмех
ΔPмагн
ΔPэ.в.
ΔPэ.я.
Затраченная мощность – электрическая Pэл, полезная мощность –
механическая Pмех.
Электрические потери в якоре и в обмотке возбуждения –
переменные, это потери на нагрев обмотки якоря и обмотки
возбуждения .
Магнитные потери (постоянные) – потери в магнитопроводе
якоря вследствие его перемагничивания.
Механические потери (постоянные) – потери на трение.

7. §6.12. Баланс мощностей в ДПТ

hном
h
P2ном
P2
Рабочая характеристика – зависимость КПД машины
от полезной мощности.
Наибольший
КПД достигается при работе в
номинальном режиме.

8. 7. Электрические машины переменного тока

7.1. Применение трехфазных асинхронных двигателей
7.2. Устройство ТАД
7.3. Вращающееся магнитное поле
7.4. Принцип действия ТАД. Скольжение

9. §7.1. Применение асинхронных машин

Асинхронные машины – это машины переменного тока, в
которых ротор и магнитное поле статора вращаются
асинхронно, то есть с разной частотой.
В машинах переменного тока магнитное поле создается
источником переменного напряжения, который может
быть однофазным, двухфазным или трехфазным. В
соответствии с этим выделяют три вида асинхронных
машин.
Наибольшее распространение получили трехфазные
асинхронные машины, работающие в режиме двигателя –
трехфазные асинхронные двигатели (ТАД).
Они отличаются простотой конструкции, экономичностью
и надежностью.
В связи с этим, их применяют в различных промышленных
и бытовых установках и приборах в качестве
электроприводов.

10. §7.2. Устройство асинхронных машин

статор
ротор
Y
C
A
X
Z
B
Размещение трехфазной обмотки в статоре
Асинхронные
машины
состоят из двух частей.
Неподвижная часть – статор
(1), и вращающаяся – ротор
(2).
Статор – полый цилиндр,
набранный
из
листов
электротехнической стали.
С внутренней стороны эти
листы имеют пазы, в которые
укладывается
трехфазная
обмотка статора.
Выводы
обмотки
расположены с одного торца,
обмотки
смещены
в
пространстве на 120º.
Это
обеспечивает
распределение
магнитной
индукции,
близкое
к
синусоидальному.

11. §7.2. Устройство асинхронных машин

статор
ротор
Асинхронные
машины
состоят из двух частей.
Вращающаяся часть – ротор,
и неподвижная – статор.
Ротор асинхронной машины
также выполнен из листов
электротехнической
стали,
которые закреплены на валу.
С внешней стороны ротора
имеются пазы, в которых
расположена обмотка ротора.
В зависимости от соединения
обмоток ротора в ТАД,
выделяют две конструкции
ротора.

12. §7.2. Устройство асинхронных машин

стержни обмотки
замыкающее
кольцо
Обмотка короткозамкнутого
ротора обычно выполняется
из
меди
(в
двигателях
большой
мощности)
или
алюминия (в машинах малой и
средней мощности).
При заливке алюминиевых
роторов
одновременно
отливаются стержни, лежащие
в пазах и короткозамыкающие
кольца.
При
выполнении
медных
роторов
стержни
привариваются
к
короткозамыкающим кольцам.
Эта обмотка не имеет никаких
выводов.

13. §7.2. Устройство асинхронных машин

контактные
кольца
Двигатели
с
фазным
ротором имеют на роторе
трехфазную обмотку, которая
выполняется по тому же
принципу, что и обмотка
статора.
Выводы
этой
обмотки
присоединяются
к
контактным кольцам.
Кольца насаживаются на вал
двигателя и с помощью
щеток подсоединяются к
трехфазному реостату.
Это делается для улучшения
пусковых характеристик и
для регулирования частоты
вращения ротора.
Обычно в рабочем режиме
кольца замыкают накоротко.

14. §7.3. Вращающееся магнитное поле

Основа принципа действия асинхронных машин –
использование вращающегося магнитного поля (ВМП).
Такое поле можно получить, вращая постоянный
магнит с угловой скоростью W.
При вращении:
топография магнитного поля в системе координат,
связанной с магнитом, остается неизменной;
магнитный поток полюсов постоянен в любой момент
времени;
ось симметрии поля вращается в пространстве с
постоянной угловой скоростью W.
Вращающееся магнитное поле можно создать не
вращением магнита, а питанием обмотки статора от
источника переменного синусоидального напряжения.

15. §7.3. Вращающееся магнитное поле

Если обмотки статора симметричны, то получаем
симметричное распределение токов.
График мгновенных значений токов в статоре:
i(t)
iC(t)
Im
t1
Момент
времени t1
t2
Момент
времени t2
iA(t)
t3
iB(t)
t
Момент
времени t3

16. §7.3. Вращающееся магнитное поле

A
Момент времени t1:
iA(t1)=Imax
iB(t1)=-0,5Imax
Z
Y
iC(t1)=-0,5Imax
N0
S0
C
B
X

17. §7.3. Вращающееся магнитное поле

A
Момент времени t2:
iA(t2)=-0,5Imax
N0
Y
Z
C
B
iB(t2)=Imax
iC(t2)=-0,5Imax
S0
X

18. §7.3. Вращающееся магнитное поле

A
Момент времени t3:
iA(t3)=-0,5Imax
S0
Y
Z
C
B
iB(t3)=-0,5Imax
iC(t3)=Imax
N0
X

19. §7.3. Вращающееся магнитное поле

Для создания вращающегося магнитного поля необходимо
выполнение трех условий:
– катушки фаз обмоток статора должны быть сдвинуты в
пространстве на угол 2t/3, где t – полюсное деление. Это
условие обеспечивается конструкцией машины.
t
pD
2p
– токи фаз трехфазной обмотки статора должны быть
смещены на угол 2p/3. Это обеспечивается питанием от
трехфазного источника.
– МДС фаз обмотки должны быть одинаковы, то есть число
витков в каждой обмотке одинаково (симметричные
приемники).
Реверсирование поля – изменение направления вращения –
можно осуществить, изменив порядок чередования фаз
(например, подключение фаз В и С).

20. §7.3. Вращающееся магнитное поле

В двухполюсной машине магнитное поле делает
полный оборот за период изменения токов статорной
обмотки.
Частота
вращения поля статора может быть
рассчитана по формуле:
n1 60 fc
частота сети
В машине с большим числом пар полюсов за период
изменения токов магнитное поле будет вращаться
медленнее.
Частота вращения будет определяться формулой:
fc
n1 60
p
число пар полюсов

21. §7.4. Принцип действия ТАД

Проводники
обмотки
ротора
расположены
во
вращающемся
магнитном поле статора.
Пусть вращение поля n1 происходит по
часовой стрелке.
В
проводнике
по
закону
электромагнитной индукции наводится
ЭДС.
Направление определяем по правилу
правой руки.
Величина ЭДС прямо пропорциональна
относительной скорости проводника в
магнитном поле.
Максимальное
значение
ЭДС
достигается
при
нахождении
проводника под серединой полюса.
Вид изменения ЭДС зависит от вида
распределения магнитной индукции.
n1
e2

22. §7.4. Принцип действия ТАД

Если
распределение
индукции
синусоидально, то и наводимая ЭДС
будет синусоидальна.
Обмотка ротора замкнута, поэтому при
возникновении ЭДС в ней возникнет ток
(изменяется
по
синусоидальному
закону).
Он будет отставать от ЭДС, потому что
обмотка
ротора
обладает
индуктивностью.
n1
e2, i2

23. §7.4. Принцип действия ТАД

Если проводник с током находится в
магнитном поле, на него по закону
Ампера
начинает
действовать
электромагнитная сила.
Под действием этих сил ротор
начинает вращаться в направлении
вращения магнитного поля статора.
При этом относительная скорость
проводника, расположенного в роторе,
начинает уменьшаться.
Значит, уменьшаются также ЭДС, ток и
электромагнитная сила.
n1
e2, i2
n2
Fэм

24. §7.4. Принцип действия ТАД

Установившийся
режим
(характеризующийся
постоянной
частотой вращения ротора) наступит
в тот момент, когда вращающие
электромагнитные
силы
будут
уравновешены механическими силами
сопротивления.
n1
MЭМ MН
вращающий
электромагнитный
момент двигателя
e2, i2
противодействующий
механический
момент нагрузки
n2
Fэм

25. §7.4. Принцип действия ТАД

При
возникновении
тока
в
проводниках ротора, в нем возникает
свое магнитное поле – поле ротора.
Это поле будет вращающимся.
Скорость вращения поля ротора равна
скорости вращения поля статора!
Взаимодействие магнитных полей
статора и ротора (неподвижных друг
относительно друга) приводит к
изменению суммарного магнитного
поля ТАД.
Суммарный
магнитный
поток,
возникающий при взаимодействии
двух магнитных полей:
0 = 1 + 2
n1
e2, i2
n2
Fэм

26. §7.4. Принцип действия ТАД

При вращении поле ротора наводит по
закону электромагнитной индукции
ЭДС в неподвижных проводниках
статора. Эта ЭДС будет изменяться по
синусоидальному закону и будет
сонаправлена с током статора.
n1
e1, i1
e2, i2
n2
Fэм

27. §7.4. Скольжение

В асинхронной машине ротор и магнитное поле статора
вращаются с разными скоростями.
Из неравенства скоростей выводится понятие скольжения.
n1 n2 W1 W2
s
n1
W1
Скольжение выражается в процентах или в относительных
единицах.
В двигательном режиме работы АМ величина скольжения
0 s 1
В номинальном режиме работы двигателя оно составляет
несколько процентов, sном = 3÷5%.
В режиме идеального холостого хода скольжение равно
нулю sхх = 0, в режиме пуска максимально и равно sп = 100%.
В генераторном режиме работы 0 s
В режиме электромагнитного тормоза 1 s