Упрощенная модель коллекторной машины

Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока

Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механическо­го преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непре­рывный процесс электромеханического преобразо­вания энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 24.1 изобра­жена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал кото­рого посредством шкива и ременной передачи меха­нически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря распо­ложена обмотка в виде одного витка a,b,c,d, концы которого присоединены к двум медным изолирован­ным друг от друга полукольцам, образующим про­стейший коллектор. На поверхность коллектора на­ложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротив­лением R.

Предположим, что приводной двигатель враща­ет якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле по­стоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное зна­чение которой , а направление для положе­ния якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

Рис. 24.1. Упрощенная модель коллекторной машины

Рис. 24-2. К принципу действия генератора постоянного тока:

___________ ЭДС и ток в обмотке якоря;

_ _ _ _ _ _ _ ЭДС и ток во внешней цепи генератора

В соответствии с принципом обратимости электрических ма­шин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В «минус», то в обмотке якоря появится ток , направление которого показано на рис. 24.3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) поя­вятся электромагнитные силы , создающие на якоре электро­магнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180 0 электромагнитные силы не изменят своего направления, так как одновременно с переходом каждого проводника

Рис. 24.3. К принципу действия двигателя посто­янного тока

обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока.

Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе постоянного тока — изменять направ­ление тока в проводниках обмотки яко­ря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полю­са другой полярности.

Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечи­вает двигателю устойчивой работы, так как при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтра­ли (рис. 24.3) электромагнитные силы = 0 (магнитная индукция в середине межполосного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря (при равномерном их распределении на поверхности якоря) и числа пластин коллектора вращение якоря двигателя становится устойчивым и равномерным.

Дата добавления: 2015-11-18 ; просмотров: 4903 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока

Характерным признаком коллекторных машин является наличие у них коллектора — механического преобразователя переменного тока в постоянный и наоборот. Необходимость в таком преобразователе объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток, так как только в этом случае в машине происходит непрерывный процесс электромеханического преобразования энергии.

Рассмотрим принцип действия коллекторного генератора постоянного тока. На рис. 24.1 изображена упрощенная модель такого генератора: между полюсами N и S постоянного магнита находится вращающаяся часть генератора — якорь, вал которого посредством шкива и ременной передачи механически связан с приводным двигателем (на рисунке не показан) — источником механической энергии. В двух продольных пазах на сердечнике якоря расположена обмотка в виде одного витка abed, концы которого присоединены к двум медным изолированным друг от друга полукольцам, образующим простейший коллектор. На поверхность коллектора наложены щетки А и В, осуществляющие скользящий контакт с коллектором и связывающие генератор с внешней цепью, куда включена нагрузка сопротивлением R.

Предположим, что приводной двигатель вращает якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке на якоре, вращающемся в магнитном поле постоянного магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой е = 2Blv, а направление для положения якоря, изображенного на рисунке, указано стрелками.

В процессе работы генератора якорь вращается и виток abed занимает разное пространственное положение, поэтому в обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во внешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щеток переменный ток обмотки якоря преобразуется в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т. е. ток, неизменный по направлению. При положении витка якоря, показанном на рис. 24.1, ток во внешней цепи (в нагрузке) направлен от щетки А к щетке В\ следовательно, щетка А является положи тельной, а щетка В — отрицательной. После поворота якоря на 180° (рис. 24.2, а) направление тока в витке якоря изменится на обратное, однако полярность щеток, а следовательно, и направление тока во внешней цепи (в нагрузке) останутся неизменными (рис. 24.2, б). Объясняется это тем, что в тот момент, когда ток в витке якоря меняет

Рис. 24.1. Упрощенная модель коллекторной машины

свое направление, происходит смена коллекторных пластин под щетками. Таким образом, под щеткой А всегда находится пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным магнитным полюсом, а под щеткой В — пластина, соединенная с проводником, расположенным под южным полюсом. Благодаря этому полярность щеток генератора остается неизменной независимо от положения витка якоря. Что же касается пульсаций тока во внешней цепи, то они намного ослабляются при увеличении числа витков в обмотке якоря при их равномерном распределении по поверхности якоря и соответствующем увеличении числа пластин в коллекторе.

В соответствии с принципом обратимости электрических машин упрощенная модель машины постоянного тока может быть использована в качестве двигателя постоянного тока. Для этого необходимо отключить нагрузку генератора R и подвести к щеткам машины напряжение от источника постоянного тока. Например, если к щетке А подключить зажим «плюс», а к щетке В — «минус», то в обмотке якоря появится ток I, направление которого показано на рис. 24.3. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем постоянного магнита (полем возбуждения) появятся электромагнитные силы F3M9 создающие на якоре электромагнитный момент М и вращающие его против часовой стрелки. После поворота якоря на 180° электро проводника обмотки якоря из зоны одного магнитного полюса в зону другого полюса в этих проводниках меняется направление тока. Таким образом, назначение коллектора и щеток в двигателе

остоянного тока — изменять направение тока в проводниках обмотки якоря при их переходе из зоны магнитного полюса одной полярности в зону полюса другой полярности.Рассмотренная упрощенная модель машины постоянного тока не обеспечивает двигателю устойчивой работы, так к при прохождении проводниками обмотки якоря геометрической нейтрали nri (рис. 24.3) электромагнитные силы F3 M = 0 (магнитная индукция в середине межполюсного пространства равна нулю). Однако с увеличением числа проводников в обмотке якоря(при равномерном их распределении)

Источник

Вопрос 1. Коллекторные машины ПТ. Упрощённая модель коллекторной машины. Принцип действия генератора и двигателя ПТ.

Вопрос 1. Коллекторные машины ПТ. Упрощённая модель коллекторной машины. Принцип действия генератора и двигателя ПТ.

Коллекторные машины постоянного тока. Характ. признаком коллекторных машин явл. наличие у них коллектора (механического преобр. переменного тока в постоянный и наоборот). Необходимость такого преобр. объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток. Предположим, что приводной двигатель вращ. якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке якоря, вращ. в магн. поле пост. магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой e=2Blv. В обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во нешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щёток переменный ток обмотки якоря преобр. в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т.е. ток, неизменный по направлению.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуктируется ЭДС, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием ЭДС по цепи потечет ток. В генераторе якорь с обмоткой вращается первичным двигателем в магнитном поле полюсов N и S электромагнитов. Электродвижущая сила, индуктируемая в проводниках обмотки якоря при помощи коллектора и щеток, отводится во внешнюю цепь. Благодаря наличию коллектора (механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот) ток, отдаваемый обмоткой якоря во внешнюю цепь, будет постоянным.

Принцип действия двигателя постоянного тока. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера F=BIL) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки : на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности. Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма. Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Вопрос 2. Устройство коллекторной машины. Конструкция статора и якоря. Назначение конструктивных узлов статора и ротора. Материалы конструктивных узлов статора и ротора.

Коллекторная машина состоит из подвижной и неподвижной части, ротора и статора. Статор состоит из станины и главных полюсов. Ста­нина служит для крепления полюсов и подшипниковых щитов и является частью магнитопровода, так как через нее замыкается магнитный поток машины. Станину изготовляют из стали — ма­териала, обладающего достаточной механической прочностью и большой магнитной проницаемостью. В нижней части станины имеются лапы для крепления машины к фундаментной плите, а по окружности станины расположены отверстия для крепления сердечников главных полюсов. Обычно станину делают цельной из стальной трубы, либо сварной из листовой стали. Якорь машины постоянного тока состоит из вала, сердечника с обмоткой и коллектора. Сердечник якоря имеет шихтованную конструкцию и набирается из штам­пованных пластин тонколистовой электротехнической стали. Лис­ты покрывают изоляционным лаком, собирают в пакет и запекают. Готовый сердечник напрессовывают на вал якоря. Такая конст­рукция сердечника якоря позволяет значительно ослабить в нем вихревые токи, возникающие в результате его перемагничивания в процессе вращения в магнитном поле. На поверхности сердечника якоря имеются продольные пазы, в которые укладывают обмотку якоря. Обмотку выполняют медным проводом круглого или пря­моугольного сечения. Пазы якоря после заполнения их проводами обмотки обычно закрывают клиньями (текстолитовыми или гетинаксовыми). Коллектор 1 является одним из сложных узлов машины постоянного тока. Основными элементами коллектора являются пластины трапецеидального сечения из твердотянутой меди, соб­ранные таким образом, что коллектор приобретает цилиндриче­скую форму. В зависимости от способа закрепления коллекторных пластин различают два основных типа коллекторов: со стальными конусными шайбами и на пластмассе.

В простой петлевой обмотке якоря каждая секция присоединена к двум рядом лежащим коллекторным пластинам. За один обход якоря укладывают все секции обмотки, в конце концов конец обмотки замыкается с началом.

Простую волновую обмотку получают при последовательном соединении секций, наход. под разными парами полюсов. Концы секций присоединены к коллекторным пластинам, удалённым друг от друга на расстояние шага обмотки по коллектору yк=y. За один обход по якорю укладывают столько секций, сколько пар полюсов имеет машина.

Вопрос 8. Генераторы постоянного тока. Основные понятия. Параметры и характеристики. Уравнения равновесия ЭДС и моментов генератора.

В процессе работы генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется ЭДС Еа [см. (25.20)]. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение, определяемое уравнением напряжений для цепи якоря генератора:

При работе нагруженного генератора в проводах обмотки якоря появляется ток /а, который, взаимодействуя с магнитным потоком возбуждения Ф, создаёт на якоре электромагнитный момент М. В генераторе этот момент направлен встречно вращающему моменту М₁ приводного двигателя ПД, т.е. он является нагрузочным (тормозящим). Уравнение мощностей для генераторов пост. тока: Р₁=Р₂+Р₀+Р_эа+Р_эв. Следовательно, мех. мощность, развиваемая приводным двигателем Р₁, преобразуется в генераторе в полезную Р₂, передаваемую нагрузке, и мощность, затрачиваемую на покрытие потерь (Р₀+Р_эа+Р_эв).

Основные характеристики ГПТ: Характеристика холостого хода — зависимость напряжения на выходе генератора в режиме холостого хода U₀ от тока возбуж­дения I_в:U₀ = f(Iв) при I = 0 и n = const.

Нагрузочная характеристика — зависимость напряжения на выходе генератора U при работе с нагрузкой от тока возбуждения I_в: U = f(Iв) при I ≠ 0 и n = const.

Внешняя характеристика g- зависимость напряжения на вы­ходе генератора U от тока нагрузки I.

U = f(I) при г_рr = const и n = const, где г_рг — регулировочное сопр. в цепи обмотки возбужде­ния.

Регулировочная характеристика — зависимость тока возбуж­дения I_В от тока нагрузки I при неизменном напряжении на выходе генератора: Iв=f(I) при U = const и n = const.

Двигатели постоянного тока. Основные понятия. Уравнения равновесия ЭДС и моментов двигателя.

Уравнение ЭДС двигателя:

Уравнение моментов двигателя:

Мд – Мс = Мдин = J*dw/dt

Вопрос 48. Короткозамкнутые АД с улучшенными пусковыми характеристиками. Двигатель с глубокими пазами пазами на роторе и с двумя клетками на роторе. Конструкция, принцип действия, достоинства и недостатки.

Двигатель с глубокими пазами на роторе. От обычного асинхронного двигателя этот двигатель отличается тем, что у него пазы ротора сделаны в виде узких глубоких щелей, в которые уложены стержни обмотки ротора, представляющие собой узкие полосы. С обеих сторон эти стержни приварены к замыкающим кольцам. Обычно глубокий паз имеет соотношение размеров h_п/ b_п = 9÷10, где h_п, b_п — высота и ширина паза.

В момент включения двигателя, когда частота тока в роторе имеет наибольшее значение (f₂ = f₁), индуктивное сопротивление нижней части каждого стержня значительно больше верхней. Объясняется это тем, что нижняя часть стержня сцеплена с большим числом магнитных силовых линий поля рассеяния. Почти весь ток ротора проходит по верхней части стержня, поперечное сечение которой намного меньше сечения всего стержня. Это равноценно увеличению активного сопротивления стержня ротора, что, как известно, способствует росту пускового момента двигателя и некоторому ограни­чению пускового тока. Таким образом, двигатель с глубокими пазами на роторе об­ладает благоприятным соотношением пусковых параметров: большим пусковым моментом при сравнительно небольшом пус­ковом токе.

Двигатель с двумя клетками на роторе.Еще лучшими пусковыми свойствами обладают асинхронные двигатели с двумя короткозамкнутыми клетками на роторе: рабочей клеткой 1, стержни которой расположены в ниж­нем слое, и пусковой клеткой 2, стержни которой расположены в верхнем слое, ближе к воздушному зазору.

В момент пуска двигателя ток ротора проходит в основном по верхней (пусковой) клетке, обладающей малым индуктивным со­противлением. При этом плотность тока в стержнях пусковой клетки намного больше плотности тока в стержнях рабочей клетки. Повышенное активное сопротивление этой клетки обеспечивает двигателю значитель­ный пусковой момент при пони­женном пусковом токе. По мере увеличения частоты вращения ро­тора уменьшается частота тока в роторе, при этом индуктивное со­противление рабочей клетки уменьшается, и распределение плотности тока в стержнях пусковой и рабо­чей клеток становится почти оди­наковым. В итоге происходит пере­распределение вращающего момента между клетками: если в начальный период пуска момент создается главным образом токами пусковой клетки, то по окончании периода пуска вращающий момент создается в основном токами рабочей клетки. Максимальное значение момента пусковой клетки вследствие ее повышенного активного сопротивления смещено в сторону скольжений, близких к единице. Вращающие моменты от обеих клеток направлены в одну сторону, поэтому результирующий момент двигателя равен сумме моментов пусковой М_пк и рабочей М_раб.к клеток М = М_п.к + М_раб.к

Двигатели с двумя клетками на роторе по сравнению с асин­хронными двигателями обычной конструкции имеют повышенную стоимость, что объясняется сложностью конструкции.

Вопрос 50. Устройство, принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя. Фазосдвигающие элементы. Асинхронные конденсаторные двигатели. Устройство, принцип действия, отличие от однофазного. Включение без фазосдвигающего элемента.

По своему устройству однофазный асинхронный двигатель аналогичен трехфазному и состоит из ста­тора, в пазах которого уложена однофазная обмотка (см. рис. 8.8), и короткозамкнутого ротора. Особен­ность работы однофазного асинхронного двигателя заключается в том, что при включении однофазной обмотки статора С1—С2 в сеть (рис. 16.1) МДС ста­тора создает не вращающийся, а пульсирующий маг­нитный поток (см. § 9.4) с амплитудой Ф_mах, изме­няющейся от + Ф_mах до – Ф_mах При этом ось магнитного потока остается неподвижной в про­странстве.

Когда по обмотке статора протекает однофазный ток и ротор неподвижен, создается пульсирующее магнитное поле. Последнее можно разложить на два одинаковых синхронно вращающихся в противоположных направлениях поля. Эти поля, взаимодействуя с индуктированными ими токами ротора, создают одинаковые, но противоположные по направлению моменты. Поэтому результирующий вращающий момент при пуске равен нулю и двигатель без специальных пусковых устройств не сможет прийти во вращение. С этой целью на статоре двигателя помимо рабочей обмотки Априменяют еще одну обмотку — пусковую В. Эти обмотки располагают на статоре обычно так, чтобы их оси были смещены относительно друг друга на 90 эл. град. Кроме того, токи в обмот­ках статора и должны быть сдвинуты по фазе относительно друг друга. Для этого в цепь пусковой обмотки включают фазосмещающий элемент (ФЭ), в качестве которого могут быть применены активное сопротивление, индуктивность или ем кость (рис. 16.4). По достижении частотой вращения значения близкого к номинальному, пусковую обмотку Вотключают с по мощью реле. Таким образом, во время пуска двигатель является двухфазным, а во время работы — однофазным.

Емкость конденсатора зависит от значения тока, который, в свою очередь, определяется нагрузкой. При изменении нагрузки вращающееся магнитное поле становится эллиптическим. Так как пусковой ток в однофазных двигателях в 3-4 раза больше номинального, то используют так называемую пусковую емкость, которая в 3-4 больше рабочей. По окончании разгона двигателей пусковую емкость отключают.

При выборе типа конденсатора следует помнить, что его рабо­чее напряжение определяется амплитудным значением синусои­дального напряжения, приложенного к конденсатору U_c. При кру­говом вращающемся поле это напряжение (В) превышает напряжение сети U₁и определяется выражением

U_c = U₁

Вопрос 60. Параллельная работа синхронных генераторов. Необходимость и условия включения на параллельную работу синхронных генераторов. Способы включения синхронных генераторов на параллельную работу.

Применение нескольких параллельно включенных синхронных генераторов вместо одного генератора суммарной мощности необходимо для обеспечения бесперебойного энергоснабжения в случае аварии в каком-либо генераторе или отключения его для ремонта.

Для включения синхронного генератора на параллельную работу необходимо выполнить следующие условия:
1. Напряжение подключаемой машины должно быть равно напряжению сети или работающей машины.
2. Частота подключаемого генератора должна быть равна частоте сети.
3. Напряжения всех фаз подключаемой машины должны быть противоположны по фазе напряжениям соответствующих фаз сети или работающей машины.
4. Для подключения на параллельную работу трехфазного синхронного генератора необходимо также обеспечить одинаковое чередование фаз подключаемой машины и сети.

Приведение генератора в состояние, удовлетво­ряющее всем указанным условиям, называют син­хронизацией. Несоблюдение любого из условий син­хронизации приводит к появлению в обмотке статора больших уравнительных токов, чрезмерное значение которых может явиться причиной аварии.

Включить генератор в сеть с параллельно рабо­тающими генераторами можно или способом точной синхронизации, или способом самосинхронизации

Способ точной синхронизации. Сущность это­го способа состоит в том, что, прежде чем включить генератор в сеть, его приводят в состояние, удовле­творяющее всем вышеперечисленным условиям. Момент соблюдения этих условий, т. е. момент син­хронизации, определяют прибором, называемым синхроноскопом.

Способ самосин­хронизации. Ротор не­возбужденного генера­тора приводят во вра­щение первичным дви­гателем до частоты вращения, отличающейся от синхронной не более чем на 2—5%, затем генератор подключают к сети. Для того чтобы избежать перенапряжений в обмотке ротора в момент подключения генератора к сети, ее замыкают на некоторое активное Сопротивление. Так как в момент подключения генератора к сети его ЭДС равна нулю (генератор не возбужден), то под действием напряжения сети в обмотке статора наблюдается резкий бросок тока, превышающий номинальное значение тока генератора. Вслед за включением обмотки статора в сеть подключают обмотку возбуждения к источнику постоянного тока и синхронный генера­тор под действием электромагнитного момента, действующего на его ротор, втягивается в синхронизм, т. е. частота вращения ротора становится синхронной. При этом ток статора быстро уменьшается.

Вопрос 61. Синхронные двигатели. Основные сведения и принцип работы. Пуск синхронных двигателей. Рабочие и U-образные характеристики синхронных двигателей. Синхронный компенсатор. Назначение и устройство.

Если через обмотку возбуждения протекает постоянный ток, то он создает постоянное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью. При вращении полюсов и, следовательно, магнитного поля относительно проводников обмотки якоря в них индуктируются переменные ЭДС, которые, суммируясь, определяют результирующие ЭДС фаз. Если на якоре уложены три одинаковые обмотки, магнитные оси которых сдвинуты в пространстве на электрический угол, равный 120°, то в этих обмотках индуктируются ЭДС, образующие трехфазную систему. Частота индук­тируемых в обмотках ЭДС зависит от числа пар полюсов р и частоты вращения ротора п:

Для получения ЭДС необходимой частоты число пар полюсов и частота вращения должны находиться в определенной зависимости между собой. Так, для получения стандартной частоты f1= 50 Гц при р=1 нужно иметь частоту вращения n = 3000 об/мин, а при р = 24 n = 125 об/мин.

Если к трехфазной обмотке якоря синхронного генератора подсоединить нагрузку, то возникший ток создаст вра­щающееся магнитное поле якоря. Частота вращения этого поля относительно статора

Равенство частот вращения ротора п и поля якоря n1 является характерной особенностью синхронной машины, обусловившей ее название.

Пуск синхронного двигателя непосредственным включением в сеть невозможен, так как ротор из-за своей значительной инерции не может быть сразу увлечен вращающимся полем статора, частота вращения которого устанавливается мгновенно. В результате устойчивая магнитная связь между статором и ротором не возникает. Для пуска синхронного двигателя приходится применять специальные способы, сущность которых состоит в предварительном приведении ротора во вращение до синхронной или близкой к ней частоте, при которой между статором и ротором устанавливается устойчивая магнитная связь.

Одним из главных недостатков синхронных двигателей является сложность их пуска в ход. Пуск синхронных двигателей может быть осуществлен при помощи вспомогательного пускового двигателя или путем асинхронного пуска.

Пуск синхронного двигателя при помощи вспомогательного двигателя. Если ротор синхронного двигателя с возбужденными полюсами развернуть другим, вспомогательным двигателем до скорости вращения поля статора, то магнитные полюсы статора, взаимодействуя с полюсами ротора, заставят ротор вращаться далее самостоятельно без посторонней помощи, в такт с полем статора, т. е. синхронно. Для осуществления пуска необходимо, чтобы число пар полюсов асинхронного двигателя было меньше числа пар полюсов синхронного двигателя, ибо при этих условиях вспомогательный асинхронный двигатель может развернуть ротор синхронного двигателя до синхронной скорости. Сложность пуска и необходимость вспомогательного двигателя являются существенными недостатками этого способа пуска синхронных двигателей. Поэтому в настоящее время он применяется редко.

Асинхронный пуск синхронного двигателя. Для осуществления этого способа пуска в полюсных наконечниках полюсов ротора укладывается дополнительная короткозамкнутая обмотка. Так как во время пуска в обмотке возбуждения двигателя наводится большая э. д. с, то по соображениям безопасности она замыкается рубильником на сопротивление. При включении напряжения трехфазной сети в обмотку статора синхронного двигателя возникает вращающееся магнитное поле, которое, пересекая короткозамкнутую (пусковую) обмотку, заложенную в полюсных наконечниках ротора, индуктирует в ней токи. Эти токи, взаимодействуя с вращающимся полем статора, приведут ротор во вращение. При достижении ротором наибольшего числа оборотов (95—97% синхронной скорости) рубильник переключают так, чтобы обмотку ротора включить в сеть постоянного напряжения.
Недостатком асинхронного пуска является большой пусковой ток (в 5—7 раз больший рабочего тока). Пусковой ток вызывает падение напряжения в сети, а это отражается на работе других потребителей. Для уменьшения пускового тока применяют пуск при пониженном напряжении с помощью реактора или автотрансформатора. В настоящее время применяют почти исключительно асинхронный пуск синхронных двигателей ввиду его простоты и надежности. Существуют также схемы автоматического асинхронного пуска синхронных двигателей.

Зависимость тока якоря от тока возбуждения называется U-образной характеристикой синхронной машины. Анализируя эти характеристики, видим, что минимальное значение тока якоря имеет место при некотором определенном значении тока возбуждения, соответствующем работе с cosφ = 1. При любом изменении (увеличении или уменьшении) тока возбуждения ток якоря I_a возрастает вследствие увеличения реактивной составляющей.

Рабочие характеристики синхрон­ного двигателя представляют собой зависимость частоты враще­ния ротора , потребляемой мощности , полезного момента , коэффициента мощности , и тока в обмотке статора от полезной мощности двигателя (рис. 22. ). Частота вращения рото­ра всегда равна синхронной частоте , поэтому гра­фик имеет вид прямой, параллельной оси абсцисс. Полезный момент на валу синхронного двигателя . Так как рабочие характеристики снимают при условии , то график имеет вид прямой, выходящей из начала координат. Мощность на входе двигателя . С ростом нагрузки на валу двигателя увеличиваются также и потери , поэтому потребляемая мощность растет быстрее полезной мощ­ности и график имеет несколько криволинейный вид. Вид графика зависит от вида настройки тока возбуждения.

Синхронные компенсаторы применяют для регулирования режимов работы энергетических систем, для поддержания оптимального уровня напряжения, снижения потерь электроэнергии в сетях, увеличения пропускной способности и обеспечения устойчивости энергосистем.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные машины, работающие в режиме двигателя без активной нагрузки и генерирующие в сеть реактивный опережающий (емкостный) или отстающий (индуктивный) ток.

Вопрос 1. Коллекторные машины ПТ. Упрощённая модель коллекторной машины. Принцип действия генератора и двигателя ПТ.

Коллекторные машины постоянного тока. Характ. признаком коллекторных машин явл. наличие у них коллектора (механического преобр. переменного тока в постоянный и наоборот). Необходимость такого преобр. объясняется тем, что в обмотке якоря коллекторной машины должен протекать переменный ток. Предположим, что приводной двигатель вращ. якорь генератора против часовой стрелки, тогда в витке якоря, вращ. в магн. поле пост. магнита, наводится ЭДС, мгновенное значение которой e=2Blv. В обмотке якоря наводится переменная ЭДС. Если бы в машине не было коллектора, то ток во нешней цепи (в нагрузке R) был бы переменным, но посредством коллектора и щёток переменный ток обмотки якоря преобр. в пульсирующий ток во внешней цепи генератора, т.е. ток, неизменный по направлению.

Принцип действия генератора постоянного тока основан на использовании явления электромагнитной индукции, которое состоит в следующем. Если в магнитном поле постоянного магнита перемещать проводник так, чтобы он пересекал магнитный поток, то в проводнике возникнет ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДС индукции в проводнике называется электромагнитной индукцией. Если проводник, в котором индуктируется ЭДС, включить в замкнутую электрическую цепь, то под действием ЭДС по цепи потечет ток. В генераторе якорь с обмоткой вращается первичным двигателем в магнитном поле полюсов N и S электромагнитов. Электродвижущая сила, индуктируемая в проводниках обмотки якоря при помощи коллектора и щеток, отводится во внешнюю цепь. Благодаря наличию коллектора (механический преобразователь переменного тока в постоянный и наоборот) ток, отдаваемый обмоткой якоря во внешнюю цепь, будет постоянным.

Принцип действия двигателя постоянного тока. Под действием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера F=BIL) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки : на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности. Направление тока в проводниках витка изменяется на противоположное, а направление сил f, момента Мвр и тока во внешней цепи не изменяется. Виток непрерывно будет вращаться в магнитном поле и может приводить во вращение вал рабочего механизма. Таким образом, коллектор в режиме двигателя не только обеспечивает контакт внешней цепи с витком, но и выполняет функцию механического инвертора, т.е. преобразует постоянный ток во внешней цепи в переменный ток в витке.

Источник