ОСНОВЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Луценко Владимир Никифорович Ст. преподаватель Для

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Луценко Владимир Никифорович Ст. преподаватель Для студентов неэлектротехнических специальностей Один семестр ЗАЧЁТ

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ Библиографический список Основной: 1. Электротехника. Под. ред. В. С. Пантюшина- М.: Высшая школа, 1976. 2. Электротехника. А. С. Касаткин, М. В. Немцов – М.:Академия, 2005, (2003). Дополнительный: Основы промышленной электроники. Под. Ред. В. Г. Герасимова – М.: Высшая школа, 1978. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника.- М.: Высш.шк., 1991.

Основы электрооборудования Введение Электрооборудование – комплекс электрических устройств для получения, распределения и использования электроэнергии. Состав э.о. – трансформаторы, эл. машины, электронные приборы, выпрямители и множество пусковой и распределительной аппаратуры

Тема 1. Трансформаторы Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат,предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при той же частоте. По конструкции и применению трансформаторы разделяют на силовые, сварочные, измерительные, специальные

Историческая справка 1876 г.- П. Я. Яблочков изобрёл трансформатор с разомкнутым магнитопроводом и применил для питания электрической свечи. 1885 г.- венгры М. Дери, О. Бладт, К Ципер- новский разработали однофазные трансфор- маторы для промышленности. 1889г.- 91г.– М.О.Доливо –Добровольский, Н.Тесла разработали трёхфазные трансфор- маторы. По конструкции и применению трансформаторы разделяют на силовые, сварочные, измерительные, специальные.

Принцип действия однофазного трансформатора

Принцип действия однофазного трансформатора Принцип работы в режиме холостого хода Вторичная обмотка разомкнута. В первичной синусоидальное напряжение U1 и I1x – ток х. х. МДС F1= I1xW1 вызывает поток Ф и в обмотках индуктируется ЭДС е1 и е2 Действующие значе- ния ЭДС пропорциональны числам витков:. E1 = 4,44fW1Фm; E2 = 4,44fW2Фm.

Коэффициент трансформации . Отношение Э.Д.С., равное отношению чисел витков наз.коэффициентом трансформации трансформатора : Е1 /Е2 = w1 /w2 = n. При Е1 < Е2, - трансформатор повышающий, при Е1 > Е2 - трансформатор понижающий. Так как при холостом ходе E1≈ U1, а E2= U2, то для понижающего трансформатора U1> U2, n = U1ном./U2 ном.= W1/W2, для повышающего трансформатора U2>U1,

Коэффициент трансформации З А Д А Ч А 1. Задача № 1.1 Д а н о: номинальная мощность трансформатор S1ном= 3кВ*А, напряжение питающей сети U1ном= 127 В, вторичное напряжение при холостом ходе U20= 60 В, число витков вторичной обмотки w2 = 40. О п р е д е л и т ь: коэффициент трансформации n, число витков первитчной обмотки трансформатора w1, номинальные токи в обмотках трансформатора I1ном. и I2ном Ответ: n = 2,11; w = 84,4; I1НОМ= 23,6 А; I2НОМ= 50 А.

Холостой ход трансформатора

Уравнение электрического состояния трансформатора Режим холостого хода Часть потока Ф1d- поток рассеяния. Он наводит в витках e1d– ЭДС рассеяния, в расчётах их представим как u1d падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния x1d= ωL1d , где L1d=Ψ1d/i1x, Ψ1d- потокосцепление рассеяния первичной обмотки u1d= L1ddi1x/dt или в комплексной форме U1d= jX1dI1x.

Уравнение электрического состояния для первичной обмотки трансфор-а. По второму закону Кирхгофа, для контура первичной обмотки: u1= -e1 + R1i1x+ L1ddi1x/dt u1= - e1+ R1i1x+ u1d. Где u1d= L1ddi1x/dt – падение напряжения на индуктивном сопротивлении рассеяния. В комплексной форме U1d = jX1dI1x, U1= - E1+ R1I1X + jX1dI1X Этому уравнению соответствует векторная диаграмма.

Векторная диаграмма трансформатора в режиме холостого хода

Построение векторной диаграммы при холостом ходе трансфрматора Откладываем вектор Ф=ФmSin ωt, I0- опережает Ф на угол потерь δ. ЭДС Е1 и Е2- отстают от Ф на π/2. Ток хол. хода , где IP – является намагничивающим током, Ia – определяется потерями в стали магнитопровода, φ0 – сдвиг фаз близок к 900. Ток х.х. очень мал. Поэтому можно принять На диаграмме вектор U1, равный и противоположный вектору Е1

Рабочий режим трансформатора

Уравнения для первичной обмотки: e1 = - u1+ R1i1+ L1ddi1/dt, u1= - e1+R1i1+u1d, или в комплексном виде : U1= - E1+R1I1+jX1dI1, где R1 + jX1d = Z1 Для вторичной цепи: e2=u2- R2i2- u2d, где u2d=L2ddi2/dt – падение напряжения на сопротивлении рассеяния. В комплексной форме U2=E2+ R2I2+ jX2dI2 , где R2 + jx2 = Z2 Рабочий режим трансформатора

Уравнение магнитодвижущих сил МДС для мгновенных значений: i1w1 - i2w2= F1 – F2 = F. В режимах от х.х. до номинального поток Ф не изменяется при неизменном U1, поэтому: i1w1 - i2w2 = i1xw1 или I1w1 + I2w2 = I1Xw1. Разделив на w1 получим I1 – I2w2/w1 = I1X. Обозначив I2w2/w1 = I2’; I1 – I2’ = I1x или I1X + I2’ = I1 I1X – определяет основной магнитный поток Ф; I2’–компенсирует размагничивающее действие тока I2. Пренебрегая I1X имеем I1/I2 =W2/W1 или с индексами В и Н, IBH/IHH = WHH/WBH

Последовательность построения диаграммы Строим вектор I2’ в произвольном направлении. Вектор U2’ опережает I2’ на угол φ2. Строим E2’= U2’ + R2’I2’ + jX2dI2’. Строим I1 = I2’ + I1x, где I1x – опережает вектор Ф на угол потерь δ. Вектор напряжения первичной обмотки строим по уравнению электрического состояния U1 = E1 + R1I1 + jX1dI1.

Векторная диаграмма приведенного трансформатора

Рабочий режим трансформатора задача 3. Задача 1.5 О п р е д е л и т ь ток I1 в линии, если амперметр , включенный в цепь вторичной обмотки трансформатора тока, показывает I2= 4A, а номинальные первичный и вторичный токи трансформатора тока I1ном= 50А, I2ном= 5А. Ответ: I1= 40A.

Рабочий режим трансформатора Задача № 4 Д а н о: частота питающей сети f = 50Гц, число витков обмоток трансформатора w1=250 и w2=1250, площадь поперечного сечения магнитопровода S = 4 см2, амплитудное значение магнитной индукции Bm= 1Тл. О п р е д е л и т ь: коэффициент трансформации трансформатора n и действующие значения ЭДС обмоток однофазного трансформатора Е1 и Е2.

Примем W2’=W1=nW2 тогда E2’=E1=nE2; U2’=U1=nU2 ; I2’=I2W2/W1=I2/n; R2’=R2(I2/I2’)2=n2R2 ; аналогично X2’=n2X2. С учётом указанных соотношений система уравнений имеет вид: U1=E1+ R1I1+ jX1I1, E2’=E1=U2’+ R2’I2’+ jX2’I2’, I1X=I1- I2’. Приведение параметров вторичной обмотки к числу витков первичной обмотки

Схема замещения приведенного трансформатора

Приведенный трансформатор математически описывается уравнениями электрического состояния: U1 = E1 + R1I1 + jX1dI1 U2’= E2’- R2’I2’- jX2dI2’ I1 = I1X+ I2’. При токе I1X , мощность потерь в сопротивлении ветви холостого хода R0 , эквивалентна потерям в магнитопроводе, т.е. R0I21X= DP Комплексное сопротивление ветви холостого хода Z0 = R0 + Jx0. Падение напряжения на ветви холостого хода при токе I1X: U0= I1XZ0= E1 = E2’. Схема замещения приведенного трансформатора

Упрощённая схема замещения трансформатора В упрощённой схеме замещения не учитывают ток холостого хода из-за его малости. Сопротивления короткого замыкания RK= R1+ R2’ и XK= X1d+ X2d.

ЗАДАЧА № 5 Задача № 1.6 Д а н о: трёхфазный трансформатор S1ном= 50 кВ*А. Обмотки соединены по схеме «звезда»; номинальные напряжения обмоток: U1ном= 6 Кв, U2ном= 0,525 Кв, частота питающего напряжения fном= 50 Гц, ток холостого хода I0= 7%I1ном, мощность холостого хода Р0= 0,350 кВт, напряжение к. з. Uk= 5,5%, мощность к. з. Рк= 0,325 кВт. О п р е д е л и т ь параметры упрощённой (Г – образной) схемы замещения (см. рис.) трансформатора.

Потери и КПД трансформатора Уравнение баланса мощности в цепи с транс- форматором: P1= P2+ DP = P2+ DPСТ+ DPM. P1 – активная мощность, поступающая из сети. P2=U2I2cos j2-активная мощность потребителей. PСТ- мощность потерь в стали. PM- мощность потерь в проводах обмоток. P = DPCT+ DPM – суммарная мощность потерь в трансформаторе.

КПД трансформатора можно вычислить по формуле: Введём понятие коэффициента нагрузки b = P1/P1.ном=P2/P2.ном Из опытов х.х. и к.з. имеем: DPст= Px; DPM= RkI12=b2RkI12= b2PK.НОМ. Тогда К.П.Д. Где Px – показание ваттметра при опыте хол. Хода. PK.HOM= R1I12HOM= R2.I2.2HOM- показание ваттметра при к.з. КПД трансформатора

КПД трансформатора Задача 6. Задача № 1.7 Д а н о: трёхфазный трансформатор ТМ – 100/6, обмотки включены по схеме «звезда», S1ном= 100 кВ*А, линейные напряжения U1ном= 6 кВ, U2ном= 0,525 кВ, потери холостого хода Р0= 600 Вт, потери короткого замыкания при номинальном токе Рк= 2400 Вт. О п р е д е л и т ь: коэффициент трансформации n и КПД η трансформатора при номинальной нагрузке (cos φ2 = 0,8).

Коэффициент трансформации З А Д А Ч А 2. Задача № 1.3 Д а н о: трёхфазный трансформатор, число витков первичной обмотки w1= 2002, вторичной w2= 134, номинальное линейное напряжение первичной обмотки U1ном= 6000 В. О п р е д е л и т ь: коэффициент трансформации n и номинальные действующие значения первичного и вторичного фазных U1ф ном, U2ф ном и линейных U1л ном и U2л ном напряжений, при соединении обмоток соответственно «звезда – звезда» и «звезда – треугольник».

Тема 1.1 Однофазные трансформаторы Основная литература: [1],c.258-279, [2],c. 193-210. Контрольные вопросы: Назначение трансформаторов. Основные элементы однофазных трансформаторов.Назначение магнитопровода трансформатора.Какие явления положены в основу принципа действия трансформатора.Что такое коэффициент трансформации? Области применения трансформаторов. Потери мощности в однофазных трансформаторах. Цель испытания трансформаторов. Зависимость КПД трансформаторов от коэффициента нагрузки. Схемы лабораторных установок для проведения опытов холостого хода и короткого замыканиятрансформаторов.

Тема 1.2 Трёхфазные и измерительные трансформаторы. Автотрансформаторы В трёхфазной цепи применяется группа из трёх однофазных тр-ов или один трёхфазный.Обмотки Соединяют звездой или треугольником. Начала обмоток обозначаются А,В,С,а,в,с, концы X,Y,Z,x Y,z. Наиболее распространённые схемы и группы соединения обмоток трансформаторов: Y/Y – 12 – звезда-звезда, группа 12; Y/D – 11 – звезда – треугольник, группа 11; Y/Y0- 12 – звезда – звезда с нулём, группа 12.

Группа из трёх однофазных трансформаторов

Устройство и особенности трёхфазных трансформаторов Трёхфазный трёхстержневой трансформатор имеет на каждом стержне две обмотки. Магнитные потоки в фазах сдвинуты между собой на 1200 и их сумма равна О, т. е. ФА + ФВ + ФС = О. Угол сдвига фаз между одноимёнными напряжениями в первичноё и вторичноё обмотках, определя- ет группу соединения обмоток и обозначается в соответствии с направлением часовой и минутной стрелками часов.

Трехстержневой трансформатор

Коэффициент трансформации трёхфазного трансформатора В трёхфазных трансформаторах различают два коэффициента трансформации. Фазный nф= U1ф/U2ф= W1/W2 . Линейный nл= U1Л/U2Л . В схемах Y/Y и D/D коэффициенты трансформации равны, nл= nф. Для схемы Y/D, nл= nф / √3 Для схемы D/Y, nл= nф√3

Паспортные данные трансформаторов В паспорте и на щитке трансформатора указывается: Полная мощность:Sн = U1номI1нм= U2номI2ном kBA. Номинальные напряжения в режиме х.х: U1ном,U2ном Мощность потерь в режимах х.х. и к.з.: Px,, Pk ном. Напряжение к. з. в процентах номинального uk%. Ток х.х. в процентах номинального I1.x.%. Схема и группа соединений Y/Y-0, Y/D-11.

Внешние характеристики трансформатора Для определения эксплуатационных свойств трансформаторов пользуются Зависимость : Cos j1=f(b) h = f(b) U2= f(b) I1= f(b) DPM=f(b) DPCT=f(b)

Напряжение короткого замыкания Из схемы замещения U1K=ZKI1ном Обычно U1K=(5-8)%U1ном Активная составляющая Реактивная составляющая Процентное значение напряжения короткого замыкания

ЗАДАЧА № 7 Дано: ТМ-25/6, U2НОМ=0,23кВ, Р0=0,13кВт, РК=0,6кВт, UК%=4,5, β=0,5, cosφ2=1, Т1=103ч/год-время работы трансформатора с полной нагрузкой, Т2=3,5*103ч/год – время работы с нагрузкой, равной 50% (β = 0,5) от номинальной, Т0=1,4*103ч/год – время работы без нагрузки (β = 0). Определить: n, ηном при β = 1 и cosφ2=0.8, I1ном и I2ном, RК, ХК, R1, R2”, X1, X2”, UкR, UкL, U2 при токе нагрузки I2= 2I2ном и cosφ2= 0,7, среднегодовой КПД ηг при активной нагрузке (cosφ2=1).

Измерительные трансформаторы И.Т.подразделяются на трансформаторы напряжения и трансформаторы тока. Они применяются для расширения пределов измерений, для питания цепей Р.З. и авто – матики. И.Т. изолируют измерительные приборы от цепей высокого напряжения. Измерительные приборы и цепи Р.З. и А. подключаются ко вторичным обмоткам трансформаторов.

Измерительные трансформаторы напряжения Они работают в режиме близком к режиму холостого хода. Номинальный коэффициент трансформации: nu= W1/W2 = U1ном/U2ном. Из-за падения напряжения в обмотках трансформатора, действительный коэффициент трансформации отличается от номинального ( паспортного ) и вызывает погрешность измерения. Фазовый сдвиг между напряжениями U1 и U2 вносит ещё и угловую погрешность.

Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов напряжения

Типовые схемы соединения обмоток трансформаторов напряжения Однофазный трансформатор включен на линейное напряжение. Два трансформатора включены в открытый треугольник. Три трансформатора включены в “звезду”. Разомкнутый треугольник. ( Фильтр напряжений нулевой последовательности).

Пятистержневой трансформатор В нормальном режиме: UA+ UB+ UC= O. U01-02= O. При однофазном замыкании. U01- 02 O

Измерительные трансформаторы тока Первичная обмотка включается в сеть последовательно. Через неё протекает весь ток нагрузки или к.з. Коэффициент трансформации т.тока I1/I2 = W2/W1 откуда I2= W1 / W2 * I1 = nTI1. Справедливо при IX= 0, но так как IX не равно 0, возникает погрешность при определении I1. Сдвиг фаз между I1 и I2 вызывает угловую погрешность. Т.тока выпускают с I2ном= 5 или 1 А. Коэффициент трансформации указывается дробью. Например: 600/5 или 600/1. Где числитель – ток первичный, знаменатель ток вторичный.

Схемы соединения обмоток трансформаторов тока

Схемы соединения обмоток трансформаторов тока 1. Схема соединения обмоток т.т. в “звезду.” 2. Схема соединения в неполную “звезду.” 3. Схема соединения в “треугольник”. 5. Фильтр токов нулевой последовательности. 6. Схема соединения обмоток на разность токов двух фаз.

АВТОТРАНСФОРМАТОРЫ

Автотрансформаторы Не учитывая падение напряжения в обмотках и пренебрегая током х.х. n = UВном/ UHном= WB/WH. В общей части обмотки ток I12= I2- I1= I1n – I1 = I1(n-1). Автотрансформаторы применяются при 1< n < 3.

ЗАДАЧА № 8 Дано: автотрансформатор, U1ном=127 В, при активной нагрузке Rн cosφ2= 1, I2ном= 4 А, U2ном= 220 В. Определить: номинальный ток I1ном первичной цепи, ток в нагрузке I и коэффициент трансформации n, если КПД ηном= 0,95, а cosφ1ном= 0,9.

Тема 1.2 Трёхфазные и измерительные трансформаторы. Автотрансформаторы Основная литература: [1], c. 285-295. [2], c.218-226. Контрольные вопросы: Способы трансформации трёхфазного тока. Основные элементы трёхфазных трансформаторов. Назначение измерительных трансформаторов. Особенности устройства измерительного трансформатора тока. Схемы включения измерительных трансформаторов напряжения и тока в электрические цепи. Отличительная особенность автотрансформаторов. Повышающие и понижающие автотрансформаторы с нерегулируемым коэффициентом трансформации. Автотрансформаторы с регулируемым коэффициентом трансформации.

Тема 2. Асинхронные машины Общие сведения А.М. называется беcколлекторная машина переменного тока, у которой в установившемся режиме частота вращения магнитного поля не равна частоте вращения ротора. А.М. применяют в основном в качестве электродвигателей. По числу фаз статорной обмотки различают одно-, двух- и трёхфазные двигатели. Двухфазные двигатели применяют в системах автоматического управления, однофазные – в бытовых машинах и приборах.

Тема 2.1 Устройство, принцип действия и режим работы трёхфазных асинхронных машин

Асинхронный двигатель. Устройство

Конструкция статора асинхронной машины Статор цилиндрической формы состоит из корпуса, сердечника и обмотки. Корпус стальной, чугунный или алюминиевый. Сердечник из тонких листов электротех-ой стали на внутренней поверхности имеет пазы для размещения обмотки. Обмотки соединяют звездой или треугольником.

Конструкции ротора асинхронной машины Ротор состоит из стального вала, сердечника и обмотки. Получили распространение два типа обмотки: фазная и короткозамкнутая. Фазный ротор имеет трёхфазную обмотку, соединённую звездой. Выводы обмоток соединены с контактными кольцами закреплёнными на валу. Контактные кольца через щётки подключаются к реостату.

Конструкции ротора асинхронной машины

Асинхронная машина с фазным ротором

Вращающееся магнитное поле трёхфазного тока По графику, в промежуток времени от 0 до t1 ток в фазе А возрастает от 0 до Im с положительным знаком. В фазе В ток отрицательный и к моменту t0 ток в фазе С также имеет отрицательный знак. Фаза токов меняется в момент времени t1.

Вращающееся магнитное поле трёхфазного тока

Вращающееся магнитное поле трёхфазного тока Обозначив на рис.3.7 положительное направление тока в фазах (+), а отрицательное (.), то для каждого момента времени получим картину распределения магнитного поля в момент t0. Ось результирующего магнитного поля расположена горизонтально ( рис. 3.7а ). Момент времени t1 соответствует изменению фазы тока на угол a1 = 600. При частоте тока w = 2pf угол a = wt. В момент t1 и t2 ось магнитного поля повернётся на углы a2 = wt2 и a3 = wt3 За время равное периоду Т, ось поля совершит полный оборот. Угол поворота составит aT=w T = 2pf1.

Принцип действия асинхронного двигателя Принцип действия А.Д. основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора,с токами индуктированными этим полем в обмотке ротора. Частота вращения магнитного поля статора: n1 = 60 f1/p. Ротор вращается с меньшей скоростью n < n1 . При этом n = n1 ( 1 – S ). Где называется скольжением. Частота тока ротора Где ns = n1 – n.

З А Д А Ч А Задача 1А. Трёхфазный асинхронный электродвигатель с числом пар полюсов р = 1. Частота питающей сети f1= 50 Гц. Определить синхронную частоту n1 и угловую частоту Ω1 вращения вращающегося магнитного поля.

Режимы работы трёхфазной асинхронной машины. Скольжение Режим работы асинхронной машины можно характеризовать скольжением. Скольжением называется отношение разности n1-n к n1, т.е. Где n1- частота вращения поля статора, n- частота вращения ротора при нагрузке.

Режимы работы трёхфазной асинхронной машины. Скольжение В режиме двигателя ( 0!) ротор вращается противоположно вращению поля. Большая часть энергии рассеивается в обмотках из-за гистерезиса и вихревых токов. Режим осуществляется пртивовключением.

З А Д А Ч А Задача 2А. Трёхфазный асинхронный электродвигатель с числом пар полюсов р = 2. Частота питающей сети f1= 50 Гц. Номинальное скольжение ротора sном= 0,05. О п р е д е л и т ь: частоту вращения ротора n2ном. Ответ. n2ном= 1425 об/мин.

Асинхронный двигатель Теория рабочего процесса Вращающий момент определяется по формуле: M = CMФI2SCosy2 Где - величина постоянная. R2 , X2S – активное и реактивное сопротивления фазы ротора. Момент в относительных единицах: Где MK = KMMHOM – критический момент. KM= 1,7– 3,4– кратность максимального момента SK= R2’/X2’ – критическое скольжение.

Асинхронный двигатель Теория рабочего процесса Вращающий момент выраженный через максимальный момент и критическое скольжение: Зависимость момента от полезной мощности М(Р2) определяется выражением: М = 975 Р2/n2, кГм, или М = 9550 Р2/n2,Н*м. Критический момент: Мкр= КмМном, где Км- кратность максимального момента. Критическое скольжение: Sк= R’2/X’2.

Теория рабочего процесса. Саморегулирование вращающего момента при изменении нагрузки При изменении нагрузки на валу, автоматически изменяется вращающий момент машины и восстанавливается нарушенное равновесие момента на валу. Установившийся режим с постоянной скоростью вращения возможен только при равенстве моментов на валу, т.е. М = МПР МПР – противодействующий момент. MПР

ЭДС ОБМОТКИ ДВИГАТЕЛЯ. ЭДС обмотки статора Вращающийся магнитный поток наводит ЭДС обмоток статора e1. Действующее значение ЭДС: E1= 4,44kоб1W1 f1Фm. Где kоб1 - обмоточный коэффициент, W1 - число витков обмотки статора, kоб1W1 =WЭ - эффективное число витков.

ЭДС обмотки ротора Для неподвижного ротора E2= 4,44 kОб2W2f1Фm. В неподвижном роторе частота ЭДС: f2 = f1, т.е. как и у ЭДС статора. Для вращающегося ротора:E2S= 4,44kОб2W2 f2Фm. Учитывая, что f2=Sf1, получим: E2S= 4,44kОб2W2Sf1Фm= SE2. При скольжении S%= 0,02– 0,08%; E2S=(0,02-0,08)E2. Индуктивные сопротивления: для вращающегося ротора X2S=W2L2=2πf2L2=2πf1SL2, для неподвижного ротора X2=2πf1L2 , т.е. X2S=SX2.

З А Д А Ч А Задача 5А. Трёхфазный асинхронный электродвигатель при неподвижном состоянии и номинальной нагрузке.. Частота питающей сети f1= 50 Гц. Магнитный поток Фm = 15*105 Мкс. Число витков обмоток статора и ротора: w1 = 200, w2 = 20. Номинальное скольжение ротора sном= 0,05. Определить ЭДС в фазах статора и ротора, Е1, Е2 и частоту тока в роторе f2. Ответ: Е1= 625 В, Е2 = 63,8 В, ЭДС в обмотке ротора при номинальной нагрузке (т. е. при sном) Е2s = 3,19 В. Частота тока в роторе при номинальной нагрузке (при s = sном) f2s = 2,5 Гц., при неподвижном роторе (т. е. при пуске, s = 1), f2пуск = 50 Гц.

Уравнения электрического состояния асинхронной машины. Уравнение 2-го закона Кирхгофа для обмотки статора: U1= E1+ R1I1+ jХ1I1 . Для вращающегося ротора приведенного к числу витков статора: SE2’=R2’I2’+ jSX2’I2’ , или E2’= I2’R2’/S + jX2’I2’ . Преобразуем , тогда аналогично ур-ю для вторичной обмотки трансформатора.

Схема замещения А. Д. Величина соответствует сопротивлению нагрузки ZH. При токе I2’ , мощность на валу двигателя Pмех= (I2’)2R2’ . Если пренебречь IX , то ток потребляемый двигателем из сети: I1=I2’=

Механическая характеристика M(S) При S= 0 и M= 0, идеальный холостой ход. При МНОМ , SНОМ – номинальный режим. ОН – рабочая часть характери- стики, S = 0 – 0,08 и M = const. НК –участок механической перегрузки. ОК – участок статической устойчивости. КП – участок неустойчивой работы. При S > 1 – тормозной режим.

Механическая характеристика n(M) Все точки хар – ки аналогичны точкам на характеристике M(S). Характеристика наз. жёсткой, так как в пределах от идеального х.х. до номинальной нагрузки частота ротора падает не более чем на 10%.

Рабочие характеристики асинхронного двигателя М(Р2) определяется из М = 9550Р2 /n2 , cos j1( Р2) определяется Работа А.Д. при малой нагрузке невыгодна из-за малого значения коэффициента мощности.

Активная мощность и потери Мощность, потребляемая двигателем из сети P1 = m1U1I1cosj1 , где m1 – количество фаз обмотки статора. Мощность на валу двигателя (полезная) P2=M2w2 Уравнение энергетического баланса: P1=P2+DPЭ1+DPЭ2+DPM1+DPM1+DPM2+DPMEX. Где DPЭ1,DPЭ2- электрические потери, DPM1 ,DPM2 – магнитные потери в обмотках статора и ротора из-за гистерезиса и вихревых токов, DPMEX.- механи- ческие потери вызваны силами трения. Потери в эл. машинах обычно изучают по энергетическим диаграммам.

Энергетическая диаграмма Мощность, потребляемая двигателем из сети P1 , отличается от мощности на валу двигателя P2 на значение мощности потерь в двигателе DP, т.е. Р1= Р2 + DP. Чем меньше потери DP, тем больше КПД двигателя.

КПД двигателя Это отношение полезной мощности, к потребляемой мощности из сети, т.е. h = P2/P1. Обозначим постоянные потери как: DPC= DPM + DPMEX, а переменные потери DPЭ, то h = P2/(P2+ DPC+ DPЭ ), КПД двигателя зависит от нагрузки, поэтому в формулу КПД необходимо включить коэффициент загрузки b = P2/PHOM . Формула КПД аналогична формуле для трансформатора .

Тема 2.1 Устройство, принцип действия и режим работы трёхфазных асинхронных машин Основная литература: [1], c. 413-440, [2], c. 411-441. Контрольные вопросы: Определение асинхронных машин. Состав (узлы и элементы) асинхронных машин. Классификация асинхронных машин по типу их ротора. Какие явления положены в основу принципа действия асинхронных машин? Способы соединения обмотки статора трёхфазных асинхронных машин. Что такое скольжение трёхфазных асинхронных машин? Механические характеристики трёхфазных асинхронных машин.

Тема 2.2 Пуск и регулирование скорости трёхфазного асинхронного двигателя

Пуск асинхронного двигателя При пуске ротор двигателя преодолевает момент нагрузки и момент инерции. Частота вращения растёт от n = 0 до n. Скольжение меняется от SП= 0 до S. Условия пуска: MП= MС и пусковой ток IП должен быть небольшим. Возможны различные способы пуска в зависимости от конструкции ротора, мощности двигателя, характера нагрузки.

Прямой пуск. Непосредственное включение обмотки статора на напряжение сети В первый момент S = 1, а пусковой ток: где I’2П- ток ротора приведенный к току статора I1П. По мере разгона скольжение уменьшается кратность K1= IП/ IНОМ= 5 ÷ 7. Прямой пуск применяется на двигателях до 50 кВт. Бросок пускового тока может вызвать большое падение напряжения в сети.

Пуск переключением обмотки статора Применяется для двигателей, работающих нормально при соединении статора « треуголь-ником». При пуске переключают обмотку на «звезду». При этом напряжение фазное в меньше линейного, а ток линейный при пуске в 3 раза меньше чем при соединении в «треугольник». Недостаток: пусковой момент уменьшается в 3 раза, т.к. он пропорционален квадрату фазного напряжения.

Пуск двигателя с фазным ротором Пуск производят ступенчатым переключением пусковых реостатов. a-e,первая ступень пуска, в е выключается первая ступень и момент МП скачком увеличивается до b. b-d, вторая ступенью. В точке d момент скачком увеличивается до с и двигатель выходит на естественную характеристику 3 и в точке f устанавливается МНОМ= const. Недостатки: большие потери в пусковом реостате и высокая стоимость.

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами Все методы пуска основаны на повышении сопротивления цепи ротора. Улучшение пусковых свойств достигается использованием эффекта вытеснения тока в обмотке ротора за счёт специальной конструкции ротора. Ротор с глубоким пазом. Глубина паза в 10 раз больше ширины. При пуске ток проходит по наружному слою, т.е. по меньшему сечению так как индуктивное сопротивление глубинной части обмотки велико. Происходит «вытеснение» тока в верхнюю часть стержня. В нормальном режиме частота тока в обмотке ротора мала, процесс «вытеснения» отсутствует, активное сопротивление обмотки уменьшается.

Пуск двигателей с улучшенными пусковыми свойствами. Ротор с двойной «беличьей клеткой». Верхняя клетка выполнена из латуни,нижняя – из меди и имеет большое сечение. В момент пуска ток вытесняется в верхнюю, латунную клетку (пусковую) с большим активным сопротивлением. В установившемся режиме работает нижняя, рабочая клетка с малым активным сопротивлением. Пусковой момент может увеличиваться в три раза. Пусковой ток в три – четыре раза больше чем номинальный.

Регулирование частоты вращения асинхронного двигателя Частота вращения определяется по формуле: Следовательно, частоту вращения можно изменять , меняя частоту, скольжение и число пар полюсов. Частотное регулирование. Применяются машинные или полупроводниковые преобразователи. Регулирование изменением числа пар полюсов. Двигатель выполняют с двумя катушками в каждой фазе и переключают на последовательное Р=2 или параллельное Р=1 соединение.

Тема 2.2 Пуск и регулирование скорости трёхфазного асинхронного двигателя Основная литература: [1], c. 443-450, [2], c. 443-452. Контрольные вопросы: 1. Способы пуска трёхфазных асинхронных двигателей. 2. Пуск трёхфазного асинхронного двигателя с фазным ротором. 3. Способы регулирования скорости трёхфазных асинхронных двигателей. 4. Способы регулирования частоты вращения магнитного поля статора.+

Тема 2.3 Понятие о работе трёхфазных асинхронных машин в режимах генератора и электромагнитного тормоза. Одно- и двухфазные асинхронные двигатели. Синхронные машины.

Однофазные асинхронные двигатели Имеют небольшую мощность 1-600 Вт. Применяют в бытовых устройствах, автоматике и т.п. В однофазном двигателе создаётся пульсирующий магнитный поток. МДС статора и ротора равны и противоположны. Ротор будет вращаться если его крутнуть.

Пуск в ход однофазного асинхронного двигателя Пусковая обмотка сдвинута в пространстве на 90о относительно рабочей. Конденсатор С обеспечивает сдвиг между I и U. После разгона пусковая обмотка отключается. Конденсатор СР создаёт сдвиг между I и U, для получения вращающегося магнитного поля. Конденсатор СП включают при пуске и при большой нагрузке, когда ёмкости СР недостаточно.

Cинхронные машины Электрические машины переменного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой электрической сети называются синхронными. Синхронные машины обратимы. В качестве генераторов они применяются на большинстве электростанций всех типов. Синхронные двигатели применяются там, где необходима постоянная частота вращения, а также используются в качестве синхронных компенсаторов.

Синхронный генератор

Устройство синхронных машин

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора Принцип работы основан на явлении электромагнитной индукции. При х.х. магнитное поле создаётся только обмоткой возбуждения ротора ( Рис. а.). При вращении ротора с постоянной частотой no , магнитное поле ротора наводит в обмотках статора ЭДС e = BlU. Где B – индукция в воздушном зазоре распределяется по синусоидальному закону B = Bm sina. Где a- угол от нейтральной линии.

Принцип работы и ЭДС синхронного генератора (продолжение). ЭДС в одном проводнике E= BlU=BmUsina=BmUsina. Обозначив BmU = Em то e = Emsina т.е. изменяется по синусоидальному закону. ЭДС отдельных проводников каждой обмотки статора суммируются геометрически. Действующее значение ЭДС одной фазы: E0= 4,44kобfwФ0m,, где kоб – обмоточный коэффициент; f = pn0/60 – частота синусоидальной ЭДС; w - число витков одной фазы; p- число пар полюсов; Ф0m- максимальный магнитный поток полюса ротора; n – синхронная частота вращения ротора. Изменяя ток IB можно регулировать Ф0m и E.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя Принцип действия двигателя основан на явлении притяжения разноимённых полюсов двух магнитных полей – статора и ротора. Если поле статора вращается с частотой n0 , а ротор вращается в том же направлении, то при достижении равных частот произойдёт «сцепление» разноимённых полюсов.

Принцип действия и вращающий момент синхронного двигателя (продолжение). При идеальном х.х. (MC=0) оси магнитных полей совпадают рис. а. На полюса действуют радиальные силы F1 и F2 которые не создают ни вращающегося момента ни момента МС. Механическая нагрузка на валу создаёт момент сопротивления МС, ось ротора сместится на угол Q и поле статора поведёт за собой м. поле ротора и сам ротор. Тангенциальные составляющие FT сил F создают вращающий момент M=2F1R. В режиме двигателя М = МС. При увеличении механической нагрузки, угол Q увеличивается и возрастает вращающий момент M = 2F1 R = 2FRsinQ но частота ротора n0 остаётся неизменной.