Электрические машины

Электрические машины относятся к электротехническим устройствам, служащим как для преобразования электрической энергии (трансформатор) так и для привода в действие различных промышленных и бытовых механизмов.

1. Трансформатор

Основным преобразовательным устройством является трансформатор. Трансформатором называется электротехническое устройство, служащее для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.

Трансформаторы делятся по назначению: силовые, специальные, измерительные и радиотехнические. К силовым относятся трансформаторы, передающие потребителю электрическую энергию, к специальным – сварочные и выпрямительные, к измерительным – трансформаторы тока и напряжения, служащие для подключения электроизмерительных приборов, к радиотехническим – маломощные трансформаторы и трансформаторы, работающие на повышенной частоте. Кроме этого, они делятся по роду тока на однофазные и трехфазные и по способу охлаждения – на масляные, сухие и с твердым наполнителем.

Конструкция трансформатора состоит из двух основных частей – магнитопровода и обмоток. Магнитопровод набирается из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга. Часть магнитопровода, на котором располагается обмотка, называется стержнем, а часть, замыкающая стержни, ярмом. По своему устройству магнитопровод подразделяется на П-образный и Ш-образный.

Обмотка трансформатора наматывается медным изолированным проводом с дополнительной изоляцией между слоями. Обмотка трансформатора с большим числом витков называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а с меньшим – низшего (НН).

Рассмотрим принцип работы трансформатора на примере однофазного трансформатора, схематически представляющего собой магнитопровод с двумя обмотками W ₁ и W ₂ (рис.36). При подключении первичной обмотки к источнику синусоидального напряжения по обмотке течет ток i ₁ = I_m sin(w t + y _u), создающий намагничивающую силу i ₁ w ₁, под действием которой возникает магнитный поток Ф = Ф _m sin(w t + y_ф).

По закону электромагнитной индукции во вторичной цепи индуцируется электродвижущаяся сила

.

ЭДС отстает от магнитного потока на угол 90°, а Е_{2 m} = W ₂Ф _m w.

Действующее значение Е₂ = Е_{2 m} / = W ₂Ф _m 2p f /, где f – частота сети; Е₂ = 4, 44 W ₂Ф _mf. Такая же ЭДС возникает и в первичной обмотке, так как магнитный поток пронизывает витки и первичной обмотки. Поэтому отношение Е₁ / Е₂ будет определять коэффициент трансформации по напряжению: К _тр > 1, Е₁ > Е₂ – трансформатор понижающий; К _тр < 1, Е₁ < Е₂ – повышающий; К _тр = 1, Е₁ = Е₂ – разделительный.

Изображение трансформатора на электрической схеме приведено на рис.37.

В работе трансформатора можно выделить три режима: холостого хода, когда вторичная обмотка разомкнута, короткого замыкания, когда вторичная обмотка замкнута накоротко, и рабочий режим под нагрузкой.

В режиме холостого хода I ₂ = 0, U _{2 хх} = Е₂, ток в первичной обмотке I ₁₀ = U ₁ /Z ₁₀, сопротивление Z ₁₀ = R ₁₀ + jX ₁₀. Ток I ₁₀ составляет 3-10 % номинального (рабочего) тока трансформатора I _1н.

Ввиду малости первичного тока потери мощности в первичной катушке составляют не более одного процента от номинальной мощности трансформатора и их можно принять равными нулю также, как и во вторичной Р ₁₀ ® 0, Р ₂ = 0. В режиме холостого хода потери мощности наблюдаются только в магнитопроводе и связаны с перемагничиванием и вихревыми токами, определяемыми магнитным материалом Р ₁₀ = Р _ст = Р _в + Р _г.

Если первичное напряжение не изменяется, то потери в стали постоянны и пропорциональны значению магнитной индукции В в степени угла магнитного запаздывания -a. Значение угла составляет 5-10 электрических градусов.

В этом случае К _тр = W ₁ /W ₂ = Е₁/Е₂» U ₁₀ /U ₂₀; I ₁₀ R ₁ и I ₁₀ X ₁ << E₁, тогда параметры холостого хода определяют параметры магнитной системы:

; ; .

Режим короткого замыкания для трансформатора является аварийным, так как при U ₂ = 0 и Z _н = 0 ток в первичной обмотке будет в 15-20 раз больше тока номинального рабочего режима. Поэтому опыт короткого замыкания производят только с целью определения параметров первичной и вторичной обмоток.

Опыт производят при условии I _2к = I _2н, тогда I _1к = I _1н и U _1к << U _1н. Напряжение короткого замыкания для первичной обмотки задается в паспортных данных трансформатора в процентах от вторичного напряжения U _1к = (U _1к / U _2к)×100 % и составляет примерно 5 % для трансформаторов с масляным охлаждением и 2-2,5 % для трансформаторов с воздушным охлаждением.

Так как напряжение короткого замыкания в первичной обмотке во много раз меньше номинального, то U ₁ @ 4,44 W ₁Ф _mf и Ф _{m к.з} << Ф _{m н}. Потери в стали будут стремиться к нулю.

Мощность при коротком замыкании рассеивается только в обмотках трансформатора и идет на нагрев меди в них,

Р _кз = Р _мн = Р _м1н + Р _м2н = .

Общее сопротивление короткого замыкания Z _к.з определится из отношения U _1к = I _1н R _к.з = Р _к.з / I _1н; соsj = R _к.з / Z _к.з; К _тр» I _2н / I _1н.

Схема замещения трансформатора в режиме короткого замыкания и векторная диаграмма имеют вид в соответствии с уравнием U _1к.з = I _1н Z _к.з = I _1н(R _к.з + jX _к.з). Для составления схемы замещения и удобства расчета рабочих режимов используют метод приведения параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Тогда W ₁ = W¢ ₂, где W¢ ₂ – число витков обмотки приведенного трансформатора; W¢ ₂ = КW ₂; Е ' ₂ = Е₂ К; U' ₂ = U ₂ К.

Условием приведения является постоянство энергетических характеристик (мощности и потерь) S ₂ = S ₂ и Р _м2 = Р' _м2. Тогда I' ₂ = I ₂(1 /К); R' ₂ = R ₂ К ²; X' ₂ = X ₂ К ² и Z' ₂ = Z ₂ К ².

Для расчетов режимов работы трансформатора используют Т-образную (рис.38, а) и Г-образную (рис.38, б) схемы замещения.

Уравнения цепи для Т-схемы имеют вид:

U ₁ = –Е₁ + I ₁(R ₁ + jX ₁);

= Е₂ – I ₂(R ₂ + jX ₂); I ₁ = I ₁₀ – I ₂.

Зависимость напряжения от тока называется нагрузочной или внешней характеристикой (рис.39). Кривая 1 (рис.39, а) соответствует режиму емкостной нагрузки, cosj < 1, кривая 2 – активной нагрузке, cosj = 0, кривая 3 – индуктивной нагрузке, cosj < 1.

Рабочие свойства трансформатора в нагрузочном режиме характеризуются зависимостями вторичного напряжения U ₂ от тока во вторичной обмотке I ₂ и КПД от коэффициента загрузки b.

Максимальный коэффициент полезного действия трансформатора составляет 0,98 и находится из соотношения полезной мощности на нагрузке к мощности, потребляемой из сети:

h = Р ₂/ Р ₁,

Р ₁ = Р ₂ + Р _хх + Р _к.з; Р ₂ = U ₂ I ₂;

cosj = b S _нcosj₂.

где b = I ₂/ I _2н – коэффициент загрузки трансформатора; S – полная мощность трансформатора.

Из графика (рис.39, б) видно, что потери в стали Р _ст не зависят от нагрузки и являются постоянными. Потери в меди Р _м обмоток растут и изменяются по нелинейному закону. Коэффициент полезного действия имеет максимальное значение при равенстве указанных потерь и коэффициенте загрузки, равном 0,6.

2. Асинхронный двигатель

Асинхронный двигатель наиболее распространен в качестве электропривода различных механизмов благодаря своей простоте и надежности. Более 60 % всей вырабатываемой в мире энергии преобразуется в механическую, в основном с помощью асинхронных двигателей. Созданы они были 100 лет назад русским ученым М.О.Доливо-Добровольским. В настоящее время по международному стандарту разработана единая унифицированная серия асинхронных двигателей АИ и 5А.

Асинхронный двигатель изготавливается в однофазном, двухфазном и трехфазном исполнении. Мощность двигателей колеблется от десятков ватт до сотен киловатт. По конструкции роторов они делятся на две группы. Первая с фазным ротором и вторая с короткозамкнутым. У двигателя с фазовым ротором к цепи ротора посредством коллекторно-щеточного механизма подключается сопротивление. В начальный момент пуска сопротивление уменьшает пусковой ток, и ротор находится в заторможенном состоянии. Затем сопротивление уменьшают, и двигатель плавно запускается. Короткозамкнутый ротор изготавливается из металлической болванки и магнитопровода, в пазы которого укладываются алюминиевые стержни и накоротко замыкаются.

Асинхронный двигатель состоит из статора с обмоткой, к которой подводится трехфазное напряжение, и ротора, который вращается посредством вращающегося магнитного поля, создаваемого системой трехфазного тока.

Рассмотрим вращающееся поле переменного тока трехфазной цепи асинхронного короткозамкнутого двигателя с тремя обмотками, сдвинутыми по окружности на 120° и соединенными звездой.

Обмотки статора питаются трехфазным симметричным напряжением (рис.40). Начальную фазу тока в обмотке А - х принимаем равной нулю. Тогда i_A = I_m sinw t, i_B = I_m sin(w t –120°), i_C = I_m sin(w t + 120°).

В момент времени t ₁: i_A > 0, i_B, i_C < 0. Если ток фазы А положителен, т.е. течет от начала к концу, то пользуясь правилом правоходового винта, можно найти картину распределения магнитного поля для времени t _1.

В момент времени t ₂ вектор результирующей магнитной индукции B_m развернется на угол a₁ и далее по часовой стрелке с периодом обращения 360°. Угол a₁ = 60°.

Таким образом, магнитная индукция представляет собой вращающееся поле с амплитудой B _{m рез} = 3/2 B_m sin(w t- a), (рис.41).

За период поле делает один оборот, a _Т = w Т = 2p¦, w = 60¦, (где ¦ = 50 Гц), и является промышленной частотой питающего переменного напряжения и тока.

При синусоидальном характере вращающегося поля его скорость n ₀ равна отношению a¦/ р (где р – число пар полюсов). В рассматриваемом примере р = 1 и частота вращения равна соответственно 3000 оборотов в минуту. Если число катушек в каждой фазе увеличить в два раза, а сдвиг фаз между токами сохранить равным 120°, то частота вращения уменьшится в два раза за счет увеличения числа пар полюсов. Особенностью асинхронного короткозамкнутого двигателя является наличие постоянной частоты вращения, определяемой числом пар полюсов. Если поменять местами питание фаз, то возникнет поле обратной последовательности и ротор будет вращаться в другую сторону. Еще одной особенностью асинхронных двигателей является разность частоты вращения полей статора n ₀ и ротора n, что делает возможным их электромагнитное взаимодействие. При этом поле ротора будет как бы скользить относительно поля статора,

s = n_s /n₀, n_s = n ₀ – n,

где s – скольжение, при номинальной мощности двигателя скольжение составляет 0,01-0,03.

Основное вращающееся магнитное поле индуцирует в обмотках статора и ротора ЭДС, аналогичные трансформатору, так как при разомкнутом роторе асинхронный двигатель представляет собой трансформатор в режиме холостого хода,

Е_{1 s} = 4,44¦₁К_обм1W₁Ф; Е_{2 s} = 4,44¦₂К_обм2W₂Ф,

где индекс 1 относится к параметрам статора, а 2 – к параметрам ротора; К_обм – обмоточные коэффициенты, определяемые способом укладки обмоток (петлевая или волновая). К_обм = 0,92-0,98; Е_{2 s} = Е₂ s; Е₂ – действующее значение эдс неподвижного ротора при s = 1; ¦₂ = ¦₁ s.

В асинхронном двигателе кроме основного магнитного потока создаются потоки рассеяния. Один охватывает проводники статора, другой ротора. Потоки рассеяния характеризуются соответствующими индуктивными сопротивлениями Х ₁ и Х _{2 s} .

Уравнения электрического состояния фаз обмоток статора и ротора:

U ₁ = –Е₁ + jX ₁ I ₁ + R ₁ I ₁; E_2s = jX _{2 s} I _{2 s} + R ₂ I _{2 s} .

Потери делятся на потери в статоре и в роторе. Потери в статоре состоят из электрических потерь в обмотке Р _э1 и потерь в стали Р _ст, а потери в роторе из электрических Р _э2 и механических Р _мех плюс добавочные потери на трение и вентиляцию Р _доб.

Р _э1 =; P _э2 =;

Р _доб = 0, 005 Р _н; P _мех = К (n ₀×10 ^{- 3})²(D ₁×10 ^{- 2})³,

где К = 2,9-3,6, определяется диаметром статора D ₁.

Потери в стали в рабочем режиме во много раз меньше электрических потерь в роторе и ими обычно пренебрегают.

КПД асинхронного двигателя составляет от 0,75 до 0,95. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя приведена на рис.42.

Вращающий электромагнитный момент двигателя в соответствии с законом электромагнитных сил

М = С _мФ I _{2 s} cosj_{2 s} ,

где С _м – конструктивная постоянная; j_{2 s} – фазовый сдвиг между током и магнитным потоком.

Отношение максимального момента М _мах к номинальному М _н определяет перегрузочную способность двигателя и составляет 2,0-2,2 (дается в каталожных данных). Максимальный момент соответствует критическому скольжению s _к, определяемого активными и индуктивными сопротивлениями двигателя и пропорционально активному сопротивлению цепи ротора.

Рабочий момент двигателя пропорционален квадрату напряжения, что необходимо учитывать при включении двигателя в протяженных распределительных сетях. Номинальному моменту соответствует номинальное скольжение, а пусковому s _п.

Механическая характеристика двигателя М = f (s) приведена на рис.43.

На участке от 0 до М _мах двигатель работает в устойчивом режиме, а участок от s _к называется режимом опрокидывания двигателя, при котором двигатель в результате перегрузки останавливается и не может вернуться в рабочий режим без очередного запуска. Пусковые свойства двигателя определяются соотношением пускового момента М _п и номинального, в соответствии с каталожными данными составляет 1,6-1,7.

Рабочими характеристиками асинхронного двигателя являются зависимости от мощности на валу Р ₂ таких параметров как момент, частота вращения, ток статора, КПД и cosj (рис.44). Анализ характеристик показывает, что частота вращения ротора падает с увеличением нагрузки, а момент пропорционален ей. Ток статора изменяется по нелинейному закону, что связано с магнитной системой двигателя и при Р ₂ = 0 определяется током холостого хода, составляющего до 40 % его номинального значения.

Расчетные формулы для выбора двигателя имеют вид:

М = Р ₂/ n; Р ₁ =; Р ₂ = h Р ₁.

Выбор двигателя по каталогу осуществляется следующим образом. По заданному моменту рабочего механизма и частоте вращения определяется необходимая мощность. После этого определяются условия окружающей среды, выбирается исполнение по типу монтажа и высоте оси рабочего вала двигателя. Зная эти параметры, по каталогу проверяются необходимая перегрузочная способность, КПД, масса и момент инерции.

Для шахтных условий используются двигатели взрывозащищенного исполнения, для крановых механизмов – двигатели с повышенным скольжением и т.д. Для регулирования частоты вращения двигателей с короткозамкнутым ротором в настоящее время широко используются частотные преобразователи с микропроцессорным управлением.

В бытовых приборах используются однофазные двигатели. В системах управления используются двигатели, в которых одна из обмоток статора постоянно подключена к сети переменного тока (обмотка возбуждения), а ко второй (обмотка управления) подводится напряжение управления. Такие двигатели относятся к классу микромашин.

Микромашины используются также в информационных системах, где они выполняют функции первичных преобразователей для вычислительных операций в системах автоматики и телемеханики. Одним из примеров является сельсин, предназначенный для передачи на расстояние угловых перемещений валов, механически не связанных друг с другом.

3. Синхронная машина

Синхронная машина переменного тока используется с механизмами, требующими постоянного рабочего момента. К таким механизмам относятся компрессоры, вентиляторы, насосы и т.д.

Конструктивно синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор аналогичен статору асинхронной машины, а ротор представляет собой постоянный магнит, поле которого создается обмоткой возбуждения, по которой пропускается постоянный ток. Питание обмотки возбуждения осуществляется через скользящий контакт между контактными кольцами и неподвижными щетками. Особенностью синхронной машины является возможность работы как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.

Частота эдс переменного тока в синхронной машине зависит от частоты вращения ротора и числа пар полюсов, f ₁ = рn /60. Действующее значение эдс, индуцируемой в проводниках, равно Е = 4, 44 fК _обм W Ф₀.

Взаимодействие вращающегося поля статора и поля постоянного магнита ротора вызывает появление вращающегося момента, вследствие чего ротор вращается в том же направлении, что и поле статора (n = n ₁).

Схема замещения синхронного двигателя и векторная диаграмма имеют вид, приведенный на рис.45.

На рис.45 Х _с – синхронное индуктивное сопротивление; q – угол нагрузки

В соответствии со схемой получим уравнение U = E₀ + jX _c I.

Характеристика зависимости момента двигателя от угла нагрузки имеет вид синусоиды и выражает работу как двигательного, так и генераторного режима.

Областью устойчивой работы двигателя является участок q = 0-p/2, где выполняется условие положительности производной момента по углу нагрузки. Поэтому с целью получения запаса устойчивости за номинальный момент синхронного двигателя принимается М _н = 0, 5 М _н, которому соответствует угол q = 30°.

Важным преимуществом синхронного двигателя является способность регулировать потребляемую из сети реактивную мощность путем изменения тока возбуждения (рис.46).

Рассмотрим зависимости тока статора двигателя от тока возбуждения I = f (I _в).

При перевозбуждении I _дв имеет емкостной характер, а при недовозбуждении – индуктивный.

Зависимости тока от тока возбуждения при различных мощностях называются U-образными характеристиками. Характеристики имеют границу устойчивости, вдоль которой уменьшение тока возбуждения приведет к опрокидыванию двигателя или «выпаданию из синхронизма». Граница устойчивости соответствует режиму М _дв = М _ген.

Таким образом, синхронный двигатель может быть использован в качестве компенсирующего устройства для регулирования реактивной мощности. Недостатком синхронного двигателя является необходимость возбудителя для запуска, так как при равенстве синхронной частоты вращения поля статора и частоты вращения поля ротора пусковой момент отсутствует. Наиболее распространен асинхронный запуск. В этом случае на полюсах двигателя размещается короткозамкнутая обмотка. При пуске статор подключают к сети. Возникающее магнитное поле индуцирует в этой обмотке эдс и токи, в результате чего создается электромагнитный момент, как и у асинхронного двигателя. При этом обмотка возбуждения отключена от источника постоянного тока, но замкнута на активное сопротивление с целью уменьшения напряжения на ее зажимах при пуске. При достижении двигателем частоты вращения, близкой к синхронной, обмотка возбуждения переключается на источник постоянного тока. В этом случае говорят, что двигатель «втянулся в синхронизм».

Так как выражения электромагнитной мощности и момента у синхронной машины аналогичны и в двигательном, и в генераторном режимах, то достаточно рассмотреть генераторный режим синхронной машины.

При работе синхронной машины в качестве генератора можно регулировать магнитный поток Ф₀ и пропорциональную ему Е₀, изменяя ток возбуждения. Зависимость Е₀ = f (I _в) (рис.47) называется характеристикой холостого хода генератора. Остаточная эдс у синхронного генератора равна 5-10 В.

При включении статора на сопротивление нагрузки по обмотке пойдет ток, который создаст поле, вращающееся относительно статора и неподвижное относительно поля возбуждения основного потока ротора Ф₀. Совпадение токов в проводниках по фазе с эдс будет только при активной нагрузке, при индуктивной ток отстает на 90°, при емкостной опережает на 90°. Рост напряжения при емкостной нагрузке связан с подмагничивающим действием реакции якоря (статора), а снижение при индуктивной нагрузке – размагничиванием.

Упрощенное уравнение электрического состояния одной фазы синхронного генератора без учета поля рассеяния якоря Ф_s имеет вид: U = E₀ –jX _c, где Е₀ – эдс холостого хода.

Данному выражению соответствует схема замещения и векторная диаграмма (рис.48). Из диаграммы следует, что Е₀ соответствует магнитному потоку ротора Ф₀, а напряжение U результирующему магнитному потоку Ф. Отсюда следует, что в генераторном режиме Ф₀ опережает Ф на угол q.

Основной режим работы генератора нагрузочный. Пренебрегая потерями в сопротивлении обмотки якоря, получим из векторной диаграммы значение cosy между напряжением и Е₀:

сosy = U sinq/ X _c I.

С учетом этого выражения получим зависимость для определения электромагнитной мощности:

Р _эм @ Р = 3Е₀ I cosy = 3(U / X _c)E₀sinq.

Момент равен отношению мощности к частоте вращения:

М = Р /w = (3 U E₀/w X _c)sinq.

Выражение в скобках соответствует максимальному моменту М _мах, причем М _мах º U.

Зависимости электромагнитной мощности и момента синхронной машины при различных токах возбуждения показаны на рис.49.

В синхронном генераторе с активно-реактивной нагрузкой при определении электромагнитного момента необходимо учитывать фазовый сдвиг тока относительно магнитного потока или напряжения. Тогда выражение для момента М = С _мФ i cosj.

Синхронный генератор в качестве источника электрической энергии переменного тока включают в распределительную сеть параллельно.

4. Машина постоянного тока

Электрические машины постоянного тока предназначены для преобразования электрической энергии как в механическую, так и обратно. Поэтому в первом случае они называются двигателем, а во втором – генератором.

Схема замещения машины постоянного тока в соответствии с уравнением E = U ± IR _я показана на рис.50.

В режиме генератора электромагнитный момент М _эм противодействует вращению. Он уравновешивается моментом приводного двигателя М _дв (турбина, дизель и т.п.). В режиме двигателя момент действует по направлению вращения. При равномерном вращении ему противодействует момент сопротивления М _с приводимого в движение механизма (станок, вентилятор, насос и т.п.).

Основное магнитное поле в электрических машинах называется полем возбуждения и создается с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источников постоянного тока. Преобразование электрической энергии (рис.51) возможно в электрических машинах лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора, последние должны быть неподвижны относительно друг друга при любой частоте вращения ротора. Это достигается с помощью коллекторно-щеточного механизма. Коллектор представляет собой цилиндр, состоящий из ряда изолированных друг от друга и корпуса медных пластин, по которым скользят угольные щетки. Число пластин равно числу секций обмотки, которая укладывается в пазы.

В машинах постоянного тока ЭДС

Е = С_е Ф n,

где С_е = рN / 60 а – конструктивная постоянная; р – число пар полюсов; N – число проводников; а – число параллельных ветвей соединенных проводников (обмотки бывают двух и трехслойные).

В режиме генератора на холостом ходу поток Ф и соответствующая ему эдс зависят только от тока возбуждения. Зависимость Е = f (I _в) (рис.52) называется характеристикой холостого хода. Если характеристику снимать, сначала увеличивая ток возбуждения, а затем уменьшая его, то получится петля гистерезиса. Обычно в каталогах дается средняя линия.

При отсутствии тока возбуждения в якоре наводится эдс, равная примерно 2-3 % от напряжения якоря.

В режиме нагрузки якорь нагружается на внешнее сопротивление проводника, ток в котором совпадает по направлению с ЭДС. Ток обмотки якоря создает свое поле, воздействующее на поле собственно машины. Данное явление называется реакцией якоря. Результирующий магнитный поток машины Ф равен сумме магнитного потока цепи возбуждения Ф_в и цепи якоря Ф_я. При больших значениях тока якоря вследствие насыщения части полюсов результирующий магнитный поток несколько уменьшается. В этом случае реакция якоря называется поперечной.

Электромагнитный момент определяется из выражения

М = 0,5 D (pNI Ф/p а) = С _мФ I, ,

где D – диаметр якоря; С _м – постоянная по моменту.

Внешняя характеристика генератора U _я = f (I _я) приведена на рис.53.

У генератора различают два режима: независимое возбуждение (обмотка возбуждения питается от отдельного источника напряжения); самовозбуждение (питание обмотки возбуждения от напряжения якоря).

Основной рабочей характеристикой двигателя постоянного тока является зависимость частоты вращения от момента на валу.

Подставим в уравнение двигателя U _я = Е + R _я I _я значения эдс и момента и получим зависимость:

.

При отсутствии добавочного сопротивления в цепи якоря или нагрузки характеристика n = f (M) называется естественной, а с сопротивлением – искусственной.

Регулирование частоты вращения двигателя может осуществляться тремя способами: изменением напряжения, магнитного потока и добавочного сопротивления в цепи якоря (рис.54). Наиболее экономичный способ – регулирование напряжения на зажимах якоря.

В момент пуска эдс якоря равна нулю и I _п = U _я/ R _я, что в 10-30 раз больше номинального тока. Поэтому для ограничения тока на время пуска в цепь якоря включают добавочное сопротивление, называемое пусковым. Так как с ростом скорости ток снижается, то в качестве пускового сопротивления используется регулировочный реостат, имеющий ряд ступеней.

Направление вращения двигателя можно поменять переключением полярности якоря или обмотки возбуждения.

Повысить обороты двигателя выше номинальных можно ослаблением магнитного потока, зона регулирования ограничивается возрастанием тока возбуждения.

Совместное регулирование частоты вращения двигателя напряжением на якоре и током возбуждения позволяет получить режим работы при постоянной мощности.

Кроме рассмотренных машин переменного и постоянного тока существует ряд электрических машин специального назначения, такие как преобразователи частоты и числа фаз переменного тока, переменного тока в постоянный и т.д. Такие машины называют электромашинными преобразователями.

5. Методы обеспечения электробезопасности

К опасностям, связанным с неправильным применением электроэнергии относятся:

· поражение электрическим током человека, случайно оказавшегося под напряжением. Токи через тело человека порядка 0,05-0,1 А опасны, большие значения могут быть смертельны;

· перегрев проводов или электрическая дуга между ними при коротких замыканиях, что приводит к ожогам человека или пожарам;

· перегрев поврежденных участков изоляции между проводами токами, утечки через изоляцию, что может привести к самовозгоранию изоляции;

· перегрев корпусов электрооборудования вследствие их перегрузки.

В связи с этим на горных предприятиях применяются:

· общепромышленное электрооборудование на открытых площадках и в помещениях с обычными условиями эксплуатации;

· специальное оборудование с жесткими условиями эксплуатации для открытых карьеров и в подземных выработках с высокой влажностью;

· рудничное взрывозащищенное оборудование в подземных выработках, где могут создаваться взрывоопасные воздушные среды за счет газа и угольной пыли.

Для обеспечения безопасности необходимо:

· исключить возможность прикосновения человека к токоведущим частям, что достигается заключением электрооборудования в закрытые корпусы и его отключением при ремонтах;

· по возможности применять безопасные низкие напряжения до 36 В при пользовании переносным электрооборудованием;

· поддерживать высокий уровень изоляции относительно земли;

· снижать влияние емкости проводов;

· использовать защитное заземление (заземляющий провод);

· применять общесетевые аппараты защиты от утечек в сетях с глухим заземлением нейтрали.

В сети с занулением присоединение корпусов электрооборудования к отдельным заземлителям, не соединенным с нейтральным проводом, запрещено.

6. Виды защиты электрооборудования

Для общепромышленного электрооборудования предусматриваются: максимально токовая защита (для быстрого отключения при коротком замыкании), защита от перегрузок для отключения цепи при длительном превышении номинального; защита минимального напряжения для отключения двигателей при опасном для них снижении напряжения; нулевая защита, предохраняющая от самозапуска двигателя, остановившегося после случайного перерыва в электроснабжении.

Реле защиты и управления осуществляют прерывистое управление при достижении какой либо величины заданного значения. Различают реле тока, напряжения, тепловое, временное, положения, давления и т.д.

Дата добавления: 2014-01-07