Дисциплина Электротехника и электроника Часть 2 осенний семестр

Дисциплина – «Электротехника и электроника» Часть 2(осенний семестр 2012/13 учебного года) для групп 3 курса ММ, МО, МБ, МП, ТМ, МА Электрические машины и электропривод Кафедра Теоретической электротехники и электроснабжения предприятий нефтяной и газовой промышленности д. т. н. , профессор Портнягин Николай Николаевич Раб. место Ауд. 308 http: //www. lososi 1. ru/ Файловый архив, папка, РГУ механики Файлы - Лекции Эи. Э, Задачи Эи. Э

Рекомендуемая литература • Касаткин А. С. , Немцов М. В. Электротехника: Учеб. пособие для вузов. – 4 -е изд. , перераб. – М. : Энергоатомиздат, 2009. – 440 с. , ил. • Электротехника и электроника в 3 -х кн. Под ред. В. Г. Герасимова Кн. 2. Электромагнитные устройства и электрические машины. – М. : Высшая шк. – 2007 г. • С. Г. Максютов, Н. Н. Леонова, А. Ю. Зверьков Сборник типовых контрольных работ по курсу «Общая электротехника и электроника» для студентов факультета инженерной механики. Под ред. Проф. М. С. Ершова. -М. : РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2011. -82 с 2

План изучения дисциплины • 1. Асинхронные машины(6 недель), Контрольная работа № 1(15 баллов) • 2. Синхронные машины(4 недели) Контрольная работа № 2(10 баллов) • 3. Машины постоянного тока(4 недели) Контрольная работа № 3(15 баллов) • 4. Основы электропривода(3 недели) 4 Лабораторные работы по 15 баллов – 60 баллов Зачет 3

Лекция № 1 • План лекции • Электромеханика. Классификация электромеханических преобразователей энергии, законы электромеханики • Асинхронные электрические машины. Основные определения • Устройство трехфазной асинхронной машины • Вращающееся магнитное поле статора АД • Вращающееся магнитное поле ротора и рабочее вращающееся магнитное поле АД 4

• Электромеханика - область науки, изучающая взаимное преобразование механической и электрической энергии, а также преобразование электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию с другими параметрами. • Без электромеханических устройств, наиболее известными из которых являются трансформаторы и электрические машины (двигатели и генераторы), не может существовать ни одна область жизнедеятельности современного человека. 5

Классификация электромеханических преобразователей Электромеханические преобразователи можно разделить на 3 класса: • индуктивные, в которых рабочим полем является магнитное поле (магнитные); • емкостные (электростатические), в которых рабочим полем является электрическое; • индуктивно-емкостные, в которых электромагнитное преобразование осуществляется магнитным электрическим полями. 6

• Электромеханические преобразователи, в которых электрическая энергия преобразуется в механическую, называются двигателями или приводами • Электромеханические преобразователи, в которых механическая энергия преобразуется в электрическую, называются генераторами • Один и тот же электромеханический преобразователь может работать и двигателем, и генератором (свойство обратимости) • Электромеханические преобразователи двигатели выполняются с одной подвижной частью, называемой ротором и одной неподвижной, называемой статором 7

Представление электромеханического преобразователя в виде шестиполюсника и четырехполюсника 8

ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКИ Первый закон электромеханики Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100%. Второй закон электромеханики Все электромеханические преобразователи обратимы, то есть могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме. Третий закон электромеханики Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друга. Неподвижные относительно друга поля создают результирующее поле и электромагнитный момент, а поля, перемещающиеся в воздушном зазоре относительно друга, создают поток тепловой энергии, что приводит к потерям в ЭП и уменьшению КПД. 9

Электрические асинхронные машины Основные определения Электрическая машина (ЭМ) – основной преобразователь механической энергии в электрическую и электрической в механическую. От других электромеханических преобразователей ЭМ отличаются тем, что в них, за редким исключением, совершается однонаправленное непрерывное преобразование энергии. • По назначению ЭМ подразделяются на: • - генераторы, служащие для преобразования механической энергии в электрическую; • - двигатели, используемые для преобразования электрической энергии в механическую; • - преобразователи, предназначенные для преобразования электрической энергии с одними параметрами (род тока, напряжение, частота, число фаз переменного тока) в электрическую энергию с другими параметрами. 10

Основные определения • Электрические машины синусоидального тока (асинхронные и синхронные) характеризуются тем, что в них возбуждается вращающееся магнитное поле. • Асинхронная машина (двигатель и генератор) — это машина, в которой ее подвижная часть вращается асинхронно, т. е. с частотой вращения, отличной от частоты вращения магнитного поля. Асинхронные машины применяются в основном в качестве двигателей. 11

Устройство трехфазного АД Конструкция статора АД с открытыми пазами 12

Трехфазная обмотка двухполюсного статора с тремя катушками в каждой фазе(число пар полюсов р=1) 13

Взаимное расположение обмоток фаз при двух катушечных группах в одной фазе (число пар полюсов р=2) 14

Конструкция ротора АД а) конструкция ротора б) беличье колесо с короткозамкнытыми обмотками в) ротор с контактными кольцами 15

Условные обозначения асинхронных двигателей 16

Вращающееся магнитное поле статора 17

Токи обмоток статора, подключенных к трехфазной сети, возбуждают в машине вращающееся магнитное поле статора, которое индуктирует ЭДС в замкнутой накоротко (или пусковыми реостатами) обмотке ротора. Токи ротора, возникающие под действием этой ЭДС, возбуждают вращающееся магнитное поле ротора. Частота и направление вращения этих полей одинаковы, что обусловливает результирующее вращающееся магнитное поле, называемое рабочим полем машины. 18

Вращающееся магнитное поле статора. Основные формулы и соотношения (1. 1) (1. 2) (1. 3) Рис. 1. 1. Переход от устройства статора к представлению магнитного поля в векторной форме 19

(1. 4) Рис. 1. 2 Векторное представление вращающегося магнитного поля статора в декартовой системе координат (1. 5) (1. 6) (1. 7) (1. 8) 20

ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ РОТОРА И РАБОЧЕЕ ВРАЩАЮЩЕЕСЯ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ (1. 9) (1. 10) (1. 11) 21

Лекция № 2 План лекции • Уравнение электрического состояния цепи фазы статора • • Уравнение электрического состояния цепи ротора Баланс магнитодвижущих сил в асинхронном двигателе Энергетический баланс в асинхронном двигателе Вращающий момент асинхронного двигателя 22

Уравнение электрического состояния цепи фазы статора ЭДС магнитного поля статора (2. 1) Согласно второго закона Кирхгоффа (2. 2) Второй закон Кирхгоффа относительно питающего напряжения (2. 3) 23

Уравнение электрического состояния цепи фазы статора Рис. 2. 1. Электрический контур обмотки статора 24 Рис. 2. 2 Векторная диаграмма

Уравнение электрического состояния цепи фазы статора (выводы) статора 1. Упрощение уравнения в случае двигателей большой и средней мощности (2. 4) 2. Магнитный поток Фв в воздушном зазоре АД определяется величиной питающего напряжения U 1 и не зависит от нагрузки двигателя. 25

Уравнение электрического состояния цепи ротора • В электрической цепи ротора наводится ЭДС - е 2 , частота которой f 2 соответствует уравнению f 2 = f 1*S (2. 5) где 26

Уравнение электрического состояния цепи ротора (2. 6) Рис. 2. 3. Эквивалентная электрическая Схема замещения цепи ротора Рис. 2. 4. Векторная диаграмма цепи ротора 27

Уравнение электрического состояния цепи ротора Основные выводы 1. Для анализа режимов работы цепи ротора Может быть использована эквивалентная схема замещения цепи вторичной обмотки трансформатора 2. Учет влияния вращения ротора осуществляется введением коэффициента скольжения S 28

Энергетический баланс в асинхронном двигателе (2. 7) P 1 – активная мощность подведенная от электросети P пр 1 – мощность потерь на нагрев обмотки статора P вр. п – мощность вращающегося магнитного поля P с – мощность потерь на перемагничивание P эм – электромагнитная мощность ротора P пр 2 – мощность потерь на нагрев обмотки ротора P мех – механическая мощность на валу ротора P м. п – мощность механических потерь P 2 – полезная механическая мощность на валу двигателя Рис. 2. 5 Диаграмма преобразования энергии в АД 29

Энергетический баланс в асинхронном двигателе (2. 8) 1. Значение коэффициента мощности асинхронного двигателя в номинальном режиме лежит в диапазоне от 0, 8 до 0, 95 2. Значение коэффициента мощности асинхронного двигателя на холостом ходу лежит в диапазоне от 0, 1 до 0, 15 3. Значение коэффициента мощности асинхронного двигателя на стоянке под током лежит в диапазоне от 0, 2 до 0, 35 30

Вращающий момент асинхронного двигателя (2. 9) (2. 10) (2. 11) (2. 12) (2. 13) 31

Вращающий момент асинхронного двигателя (2. 14) (2. 15) - Мощность фазы двигателя затрачиваемая на вращение 32

Вращающий момент асинхронного двигателя (2. 16) (2. 17) 33

Лекция № 3 План лекции • • • Механическая и рабочие характеристики АД Пуск асинхронного двигателя Регулирование частоты вращения АД Двухфазные и однофазные АД Классификация электрических машин 34

Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость скорости вращения ротора от механического момента вращения на его валу Рис. 3. 1 Распределение магнитного потока и сил вращения ротора на стоянке под током Рис. 3. 2 Зависимость электромагнитного момента от скольжения 35

Механическая характеристика АД основные соотношения (3. 1) (3. 2) (3. 3) (3. 4) Максимальный момент вращения АД соответствует небольшим скольжениям, а именно 4% у двигателей большой мощности и до 14% у двигателей малой мощности 36

Механическая характеристика АД, основные соотношения (3. 5) У типовых асинхронных двигателей максимальный момент больше номинального в 2 -2, 5 раза. Рис. 3. 3 Вид механической характеристики АД В номинальном режиме работы двигателя тормозной момент 2— 3 раза меньше максимального вращающего момента Зоной практической устойчивости у асинхронных двигателей является характеристика в пределах значения скольжения S от 30 до 40% S кр 37

Рабочие характеристики АД (3. 6) (3. 7) Рис. 3. 4 Семейство рабочих характеристик АД снимается при частоте питающей сети f=50 Гц и U 1=Uном Максимальное значение кпд современных АД достигается при 75% от номинального значении нагрузки 38

Пуск асинхронного двигателя • Реостатный пуск АД с фазным ротором • Прямой пуск АД с короткозамкнутым ротором • Пуск с переключением соединений обмоток статора со звезды на треугольник • Пуск с регулированием питающего напряжения 39

Регулирование частоты вращения АД • Частотное регулирование скорости вращения ротора АД • Регулирование скорости вращения ротора АД изменением числа пар полюсов • Реостатное регулирование скорости вращения ротора АД с фазным ротором 40

Двухфазные и однофазные АД Рис. 3. 5 Принцип действия Двухфазного АД 41

Однофазный АД Рис. 3. 6 Пояснения к принципу действия однофазных АД 42

Классификация электрических машин по роду тока, принципу действия и типу возбуждения 43