27.11.2020г.

                                        ПРЕДМЕТ " ОСНОВЫ  ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ" 

ГРУППА № 201 темы уроков : " Вращающий  момент асинхронного двигателя.Скольжение.", "Принцип действия и строение генератора постоянного тока".

Изучить материал и составить краткий конспект.

 Вращающий момент асинхронного двигателя

       На ротор и полюсы статора действуют электромагнитные вращающие
моменты, одинаковые по величине и направленные в противоположные стороны.
       Мощность, необходимая для вращения статорных полюсов с синхронной частотой,

,

         где   - угловая скорость.

         Механическая мощность, развиваемая ротором,

         где   - угловая скорость ротора.

         Разность мощностей

         где   Р_Э2 - электрические потери в роторной обмотке;
                 m₂ - число фаз обмотки ротора;
                 R₂ - активное сопротивление обмотки ротора;
                 I₂ - ток ротора.

         откуда

     (12.7).

         Вращающий момент, с учетом (12.6),

.

         где   ,       КТ - коэффициент трансформации двигателя с заторможенным ротором.

,

         где   U₁ - напряжение сети.

     (12.8).

         где        - константа.

         На рис. 12.5 изображена зависимость электромагнитного момента от скольжения в виде сплошной линии.

Рис. 12.5

         Пусть исполнительный механизм, приводимый во вращение данным двигателем, создает противодействующий тормозной момент М2.
         На рис.12.5 имеются две точки, для которых справедливо равенство М_эм = М₂;
это точки а и в.
         В точке а двигатель работает устойчиво. Если двигатель под влиянием какой-либо причины уменьшит частоту вращения, то скольжение его возрастет, вместе с ним возрастет вращающий момент. Благодаря этому частота вращения двигателя повысится, и вновь восстановится равновесие М_эм = М₂;.
         В точке в работа двигателя не может быть устойчива: случайное отклонение частоты вращения приведет либо к остановке двигателя, либо к переходу его в точку а.
         Следовательно, вся восходящая ветвь характеристики является областью устойчивой работы двигателя, а вся нисходящая часть - областью неустойчивой работы. Точка б, соответствующая максимальному моменту, разделяет области устойчивой и неустойчивой работы.
         Максимальному значению вращающего момента соответствует критическое скольжение S_k. Скольжению S = 1 соответствует пусковой момент. Если величина противодействующего тормозного момента М₂ больше пускового МП, двигатель при включении не запустится, останется неподвижным.
         Максимальный момент найдем следующим образом. Сначала определим значение критического скольжения, при котором функция М_эм будет максимальной. Для этого первую производную функции по скольжению S от выражения (12.8) приравняем нулю.

         откуда

.     (12.9)

         Подставив значение критического скольжения в формулу (12.8), получим

.     (12.10)

         Из формул (12.8), (12.9), (12.10) видно:

1. величина максимального вращающего момента не зависит от активного сопротивления цепи ротора;
2. с увеличением активного сопротивления цепи ротора максимальный вращающий момент, не изменяясь по величине, смещается в область больших скольжений (см. кривая 1 рис. 12,5);
3. вращающий момент пропорционален квадрату напряжения сети.

         Механической характеристикой асинхронного двигателя называется зависимость частоты вращения двигателя от момента на валу n₂ = f (M₂). Механическую характеристику получают при условии U₁ - const, f₁ - const. Механическая характеристика двигателя является зависимостью вращающего момента от скольжения, построенной в другом масштабе. На рис. 12.6 изображена типичная механическая характеристика асинхронного двигателя.

С увеличением нагрузки величина момента на валу возрастает до некоторого максимального значения, а частота вращения уменьшается. Как правило, у асинхронного двигателя пусковой момент меньше максимального. Это объясняется тем, что в пусковом режиме, когда n2 = 0, а S = 1 асинхронный двигатель находится в режиме, аналогичном короткому замыканию в трансформаторе. Магнитное поле ротора направлено встречно магнитному полю статора. СКОЛЬЖЕНИЕ.  Скольжение не может быть равным нулю, так как при одинаковых скоростях поля и ротора прекратилось бы наведение токов в роторе и, следовательно, отсутствовал бы электромагнитный вращающий момент.        Вращающий электромагнитный момент уравновешивается противодействующим тормозным моментом Мэм = М2.        С увеличением нагрузки на валу двигателя тормозной момент становится больше вращающего, и скольжение увеличивается. Вследствие этого, возрастают индуктированные в роторной обмотке ЭДС и токи. Вращающий момент увеличивается и становится равным тормозному моменту. Вращающий момент может возрастать с увеличением скольжения до определенного максимального значения, после чего при дальнейшем увеличении тормозного момента вращающий момент резко уменьшается, и двигатель останавливается.      Скольжение заторможенного двигателя равно единице. Говорят, что двигатель работает в режиме короткого замыкания.        Частота вращения ненагруженного асинхронного двигателя n2 приблизительно равна синхронной частоте n1. Скольжение ненагруженного двигателя S &asimp; 0. Говорят, что двигатель работает в режиме холостого хода.        Скольжение асинхронной машины, работающей в режиме двигателя, изменяется от нуля до единицы.        Асинхронная машина может работать в режиме генератора. Для этого ее ротор необходимо вращать сторонним двигателем в направлении вращения магнитного поля статора с частотой n2 > n1. Скольжение асинхронного генератора .        Принцип действия генераторов тока[править | править код] Принцип действия генератора основан на законе электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле. Рис. 1 В прямоугольном контуре вращается постоянный магнит. Допустим, что однородное магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом вращается вокруг своей оси в проводящем контуре (проволочной рамке) с равномерной угловой скоростью ${\displaystyle \omega }$. Две равные порознь вертикальные стороны контура (см. рисунок) являются активными, так как их пересекают магнитные линии магнитного поля. Две равные порознь горизонтальные стороны контура — не активные, так как магнитные линии магнитного поля их не пересекают, магнитные линии скользят вдоль горизонтальных сторон, электродвижущая сила в них не образуется. В каждой из активных сторон контура индуктируется электродвижущая сила, величина которой определяется по формуле: ${\displaystyle e_{1}=Blv\sin \omega t}$ и ${\displaystyle e_{2}=Blv\sin(\omega t+}$${\displaystyle \pi }$${\displaystyle )=-Blv\sin \omega t}$, где ${\displaystyle e_{1}}$ и ${\displaystyle e_{2}}$ — мгновенные значения электродвижущих сил, индуктированных в активных сторонах контура, в вольтах; ${\displaystyle B}$ — магнитная индукция магнитного поля в вольт-секундах на квадратный метр (Тл, Тесла); ${\displaystyle l}$ — длина каждой из активных сторон контура в метрах; ${\displaystyle v}$ — линейная скорость, с которой вращаются активные стороны контура, в метрах в секунду; ${\displaystyle t}$ — время в секундах; ${\displaystyle \omega t}$ и ${\displaystyle \omega t+}$${\displaystyle \pi }$ — углы, под которыми магнитные линии пересекают активные стороны контура. Так как электродвижущие силы, индуктированные в активных сторонах контура, действуют согласно друг с другом, то результирующая электродвижущая сила, индуктируемая в контуре, будет равна ${\displaystyle e=2Blv\sin \omega t}$, то есть индуктированная электродвижущая сила в контуре изменяется по синусоидальному закону. Если в контуре вращается однородное магнитное поле с равномерной угловой скоростью, то в нём индуктируется синусоидальная электродвижущая сила. Особенности и устройство генераторов постоянного тока Рис. 2 Рамка с током вращается в магнитном поле, токосъём происходит щётками с полуколец. Рис. 3     Переменный синусоидальный ток     Пульсирующий ток, снимаемый с двух полуколец     Выпрямленный и сглаженный ток, снимаемый с якоря с большим количеством контуров и коллекторных пластин В генераторах постоянного тока неподвижны магниты, создающие магнитное поле и называемые катушками возбуждения, а вращаются катушки, в которых индуцируется электродвижущая сила и с которых производится съём тока. Другая, главная особенность, состоит в способе съёма тока с катушек, который основан на том, что если концы активных сторон контура присоединить не к контактным кольцам (как это делается в генераторах переменного тока), а к полукольцам с изолированными промежутками между ними (как показано на рисунке 2) то тогда рамка с током будет давать во внешнюю цепь выпрямленное электрическое напряжение. При вращении контура вместе с ним вращаются и полукольца вокруг их общей оси. Токосъём с полуколец осуществляется щётками. Так как щётки неподвижны, то они попеременно соприкасаются то с одним, то с другим полукольцом. Обмен полукольцами происходит в тот момент, когда синусоидальная электродвижущая сила в контуре переходит через своё нулевое значение. В результате каждая щётка сохраняет свою полярность неизменной. Если на полукольцах имеется некоторое синусоидальное напряжение, то на щётках оно уже становится выпрямленным (в данном случае пульсирующим). На практике в генераторах постоянного тока применяют не один проволочный контур, а значительно их большее количество, вывод от каждого конца каждого контура присоединяется к собственной контактной пластине, отделённой от соседних пластин изолирующими промежутками. Совокупность контактных пластин и изолирующих промежутков называется колле́ктор, контактная пластина носит название колле́кторная пласти́на. Весь узел в сборе (коллектор, щётки и держатели щёток) называется щёточно-колле́кторный у́зел. Материал, из которого изготавливают изолятор между коллекторными пластинами подбирается таким образом, чтобы его твёрдость приблизительно равнялась твёрдости коллекторных пластин (для равномерного износа). Применяется, как правило, миканит (прессованная слюда). Коллекторные пластины, как правило, изготавливают из меди. Ярмо (статор) шестиполюсного генератора постоянного тока. Видны полюсные наконечники особой формы. Якорь генератора постоянного тока, цилиндр среднего диаметра — коллектор. Остов (статор) генератора называется ярмо́. К ярму прикреплены сердечники электромагнитов, крышки с подшипниками, в которых вращается вал генератора. Ярмо изготавливается из ферромагнитного материала (литая сталь). На сердечники электромагнитов насажены катушки возбуждения. Чтобы придать магнитным линиям магнитного поля необходимое направление, сердечники электромагнитов снабжаются полюсными наконечниками. Электромагниты, питаемые постоянным током (током возбуждения) создают в генераторе магнитное поле. Катушка возбуждения состоит из витков медной изолированной проволоки, намотанной на каркас. Обмотки катушек возбуждения соединены друг с другом последовательно таким образом, что любые два соседних сердечника имеют разноимённую магнитную полярность. Вращающаяся часть генератора (ротор) называется я́корь. Сердечник якоря изготавливается из электротехнической стали. Во избежание потерь на вихревые токи сердечник якоря собирается из отдельных стальных листов зубчатой формы, которые образуют впадины (пазы). Во впадины укладывается якорная (силовая) обмотка. В маломощных генераторах якорная обмотка изготавливается из медной изолированной проволоки, в мощных — из медных полос прямоугольной формы. Чтобы под действием центробежных сил якорная обмотка не была вырвана из пазов её закрепляют на сердечнике бандажами. Обмотка якоря наносится на сердечник так, что каждые два активных проводника, соединённых непосредственно и последовательно друг с другом, лежат под разными магнитными полюсами. Обмотка называется волновой, если провод проходит поочерёдно под всеми полюсами и возвращается к исходному полюсу, и петлевой, если провод, пройдя под «северным» полюсом, а затем под соседним «южным» полюсом, возвращается на прежний «северный» полюс. Чтобы пластины коллектора и изолирующие миканитовые (слюдяные) пластины между ними не были вырваны центробежными силами из своих гнёзд — в нижней части они имеют крепление «ласточкин хвост». Щётки, как правило, изготавливают из графита. Минимальное число щёток в генераторе постоянного тока равно двум: одна является положительным полюсом генератора (положительная щётка), другая — отрицательным полюсом (отрицательная щётка). В многополюсных генераторах число пар щёток обычно равняется числу пар полюсов, что обеспечивает лучшую работу генератора. Щётки одинаковой полярности (одноимённые щётки) электрически соединены друг с другом. Щётка одновременно перекрывает две или три коллекторные пластины, это уменьшает искрение на коллекторе под щётками (улучшается коммутация). Щёткодержатель обеспечивает постоянный прижим щёток вогнутой стороной к цилиндрической поверхности коллектора.