ЭДС синхронного генератора

Как было показано выше, величина наводимой в обмотке статора ЭДС количественно связана с числом витков обмотки и скорости изменения магнитного потока:

Переходя к действующим значениям, выражение ЭДС можно записать в виде:

E = c n Ф

где n — частота вращения ротора генератора, Ф — магнитный поток, c — постоянный коэффициент.

При подключении нагрузки напряжение на зажимах генератора в разной степени меняется. Так, увеличение активной нагрузки не оказывает заметного влияния на напряжение. В то же время индуктивная и емкостная нагрузки влияют на выходное напряжение генератора. В первом случае рост нагрузки размагничивает генератор и снижает напряжение, во втором происходит его подмагничивание и повышение напряжения. Такое явление называется реакцией якоря.

Для обеспечения стабильности выходного напряжения генератора необходимо регулировать магнитный поток. При его ослаблении машину надо подмагнитить, при увеличении — размагнитить. Делается это путем регулирования тока, подаваемого в обмотку возбуждения ротора генератора.

25. Рабочие характеристики синхронный двигателей.

Рабочими характеристиками синхронного двигателя являются зависимости потребляемой мощности P1, потребляемого тока I1, вращающего момента М, cosφ и КПД (η) от полезной мощности нагрузки P2. Они изображены на рис.9.7 и соответствуют случаю, когда на холостом ходу cosφ =1.

При постоянном токе возбуждения увеличение нагрузки на валу вызывает уменьшение cosφ, что объясняется увеличением реактивного падения напряжения при возрастании потребляемого от сети тока I1. КПД η с увеличением нагрузки быстро увеличивается и достигает максимума, когда не зависящие от нагрузки механические потери и потери в стали становятся равными зависящим от нагрузки потерям в меди обмоток. Дальнейшее увеличение нагрузки снижает КПД. Потребляемый статором ток I1 на холостом ходу мал, при этом cosφ =1. При увеличении нагрузки I1 возрастает практически пропорционально нагрузке. Вращающий момент М на холостом ходу мал, т.к. механические потери невелики. При увеличении нагрузки, благодаря постоянству скорости вращения синхронного двигателя, вращающий момент возрастает почти линейно.

Потребляемая мощность Р1 растёт быстрее, чем полезная мощность Р2, т.к. при увеличении нагрузки сказывается увеличение электрических потерь в двигателе, которые пропорциональны квадрату тока.

26.Принцип обратимости электрических машин постоянного тока

Обратимость машин постоянного тока – способность машины постоянного тока работать в режиме двигателя или генератора, не меняя конструкции, то есть любая электрическая машина может работать и в качестве генератора и в качестве двигателя и переходить из генераторного режима в двигательный режим и наоборот.

Для режима двигателя характерно:

наличие магнитного поля В(главные полюса);

протекание тока по обмотке якоря I→;

возникновение крутящего момента М→и в туже сторону начинает вращаться якорь электродвигателя n→ (правило левой руки);

если якорь вращается в магнитном поле, то в его обмотке возникает ЭДС (правило правой руки) Е←, направленной против тока I→и внешнего напряжения U→, поэтому её называют противоЭДС.

ПротивоЭДС уменьшает скорость вращения и крутящий момент электродвигателя.

Для режима генератора характерно:

наличие магнитного поля В(главные полюса);

принудительное вращение якоря электродвигателя n→;

при вращении якоря в магнитном поля в его обмотке индуктируется ЭДС (правило правой руки) Е→, а если подключить нагрузку, то по обмотке якоря потечёт ток в том же направлении I→;

так как по обмотке якоря протекает ток, то возникает крутящий момент М← (правило левой руки), направленный против направления вращения якоряn→.

Электромагнитный (тормозящий) момент, направлен против скорости вращения генератора, и это явление используется для электрического торможения реостатного и рекуперативного. При электрическом торможении тяговые двигатели переводятся в генераторный режим, при этом они создают тормозные моменты, которые используются для торможения поезда. Когда электрическая энергия, вырабатываемая в таких генераторах, отдается в контактную сеть (через специальную отводящую линию), откуда она забирается другими электрическими локомотивами – рекуперативное торможение; если гасится в подключенных к генераторам сопротивлениях – реостатное торможение.

27. Динамическое торможение электродвигателей.

Динамически торможение вращающегося по инерции инерции короткозамкнутого ротора двигателя возникает после отключения обмотки статора от питающей сети переменного тока. Двигатель останавливается после присоединения обмотки к источнику постоянного тока.

Постоянные токи в фазах обмотки статора обуславливают соответствующую ЭДС, возбуждающую в двигателе неподвижное магнитное поле. Оно наводит в фазах обмотки вращающегося ротора переменные ЭДС и токи убывающей частоты. Следовательно, асинхронный двигатель переходит в режим генератора переменного тока с неподвижными магнитными полюсами. В этом режиме двигатель преобразует кинетическую энергию движущихся и вращающихся по инерции звеньев производственного механизма в электрическую, переходящую в тепловую энергию в цепи обмотки ротора.

Взаимодействие магнитного поля, возбужденного магнитодвижущей силы обмотки статора, с током в фазах обмотки ротора обуславливает возникновение тормозного момента, под действием которого ротор двигателя останавливается.

Рис. 1. Схемы включения фаз обмотки статора трехфазного асинхронного двигателя на постоянное напряжение при динамическом торможении

Величина тормозного момента зависит от значения магнитодвижущей силы обмотки статора, величины активного сопротивления регулируемых резисторов цепи обмотки ротора и его скорости. Для получения удовлетворительного торможении величина постоянного тока должна быть в 4 - 5 paз больше тока холостого хода асинхронного двигателя.

инамическое торможение асинхронных двигателей достаточно экономично и осуществимо как при скоростях меньших синхронной скорости, так и при скоростях, превышающих ее (рис. 2).

Рис. 2. Механические характеристики трехфазного асинхронного двигателя с фазным ротором при динамическом торможении

28. Режим работы электрических машин постоянного тока.

 Работа электрической машины постоянного тока
в режиме генератора

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток

где U - напряжение на зажимах генератора;
Rя - сопротивление обмотки якоря.

(2)

Уравнение (2) называется основным уравнением генератора. С появлением тока в проводниках обмотки возникнут электромагнитные силы.
На рис. 5 схематично изображен генератор постоянного тока, показаны направления токов в проводниках якорной обмотки.

Воспользовавшись правилом левой руки, видим, что электромагнитные силы создают электромагнитный момент Мэм, препятствующий вращению якоря генератора.
Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент, возникающий по правилу Ленца.

Работа электрической машины постоянного тока
в режиме двигателя. Основные уравнения

Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток Iя. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент

где CM - коэффициент, зависящий от конструкции двигателя.
На рис. 12 изображен схематично двигатель постоянного тока, выделен проводник якорной обмотки.

Ток в проводнике направлен от нас. Направление электромагнитного вращающего момента определится по правилу левой руки. Якорь вращается против часовой стрелки. В проводниках якорной обмотки индуцируется ЭДС, направление которой определяется правилом правой руки. Эта ЭДС направлена встречно току якоря, ее называют противо-ЭДС.
Рис. 12

В установившемся режиме электромагнитный вращающий момент Мэм уравновешивается противодействующим тормозным моментом М2 механизма, приводимого во вращение.

На рис. 13 показана схема замещения якорной обмотки двигателя. ЭДС направлена встречно току якоря. В соответствии со вторым законом Кирхгофа , откуда

. (3)

Рис.13 Уравнение (3) называется основным уравнением двигателя.

Из уравнения (3) можно получить формулы:

(4)
(5)

Магнитный поток Ф зависит от тока возбуждения Iв, создаваемого в обмотке возбуждения. Из формулы (5) видно, что частоту вращения двигателя постоянного тока n2можно регулировать следующими способами:

изменением тока возбуждения с помощью реостата в цепи обмотки возбуждения;

изменением тока якоря с помощью реостата в цепи обмотки якоря;

изменением напряжения U на зажимах якорной обмотки.

Чтобы изменить направление вращения двигателя на обратное (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

29. Электромеханические переходные процессы.

30. Основные уравнения коммутации. Основы коммутации.

оммутацией называют процесс изменения тока в секциях обмотки якоря при переходе их из одной параллельной ветви в другую. В более широком смысле слова под коммутацией понимают все явления и процессы, возникающие под щетками при работе коллекторных электрических машин. Если щетки искрят, то говорят, что машина имеет плохую коммутацию; если искрение отсутствует, то коммутацию называют хорошей. Период коммутации

(2.16)

где b_щ–ширина щетки; v_к–окружная скорость коллектора.

Рис. 2.29 – Направление тока в параллельных ветвях обмотки якорк (а) и график изменения тока в секции (б)

В современных машинах Т_к – 0,001 ÷ 0,0001с, вследствие чего средняя скорость изменения тока в секции (di/dt)_cp – 2i_а/T_к очень велика. Следовательно, в секции может индуктироваться большая э.д.с. само- и взаимоиндукции, называемая реактивной э.д.с:

, (2.17)

где L_p–результирующая индуктивность секции, определяющая величину реактивной э.д.с.

Название «реактивная» обусловлено тем, что согласно правилу Ленца эта э.д.с. препятствует изменению тока – замедляет его.

Помимо реактивной э.д.с. в коммутируемой секции индуктируется также э.д.с. вращения е_к, создаваемая внешним магнитным полем и называемая коммутирующей:

, (2.18)

где В_к–индукция в воздушном зазоре, в зонах, где перемещаются коммутируемые секции.

Индукция В_к может создаваться м. д. с. главных полюсов и реакции якоря, а также м. д. с. добавочных полюсов, которые устанавливают в машинах постоянного тока с целью улучшения процесса коммутации.

Установим закон изменения тока в секции в период коммутации, полагая для простоты, что ширина щетки равна ширине коллекторной пластины. На рис. 2.30 показаны три основных этапа коммутации. В первый момент времени (рис. 2.30, а) ток i в коммутируемой секции, присоединенной к пластинам 1 и 2, равен i_a и направлен от пластины 2к пластине 1. Ток щетки 2i_a проходит целиком через пластину 1, т.е. i₁ = 2i_α и i₂= 0. В промежуточном положении (рис. 2.30, б) одна часть тока щетки 2i_a проходит по-прежнему через пластину 1, а другая часть – через пластину 2, причем i₁ + i₂ = 2i_а. К концу периода коммутации (рис. 2.30, в) пластина 1 выходит из-под щетки и ток, проходящий через нее, становится равным нулю. При этом ток щетки 2i_a проходит через пластину 2, т.е. i₂ = 2i_a и i₁ = 0, а ток i в коммутируемой секции изменяет свое направление по сравнению с током в начальный момент коммутации.

Рис. 2.30 – Распределение тока в коммутируемой секции в различные моменты коммутации

Для контура коммутируемой секции, замкнутой щеткой (рис. 2.30, б), можно написать уравнение

, (2.19)

где i₁ и i₂–мгновенные значения токов, проходящих через пластины 1 и 2; i-ток в коммутируемой секции; r₁ и r₂–сопротивления переходного контакта между щеткой и коллекторными пластинами: сбегающей 1 и набегающей 2; r_с–сопротивление секции.

Поскольку сопротивление секции всегда значительно меньше сопротивлений щеточного контакта, влияние сопротивления r_с на процесс коммутации весьма незначительно и им можно пренебречь. Тогда из (2.19) получим

. (2.19а)

Тогда первый закон коммутации можно сформулировать следующим образом: ток в индуктивной катушке до коммутации равен току в момент, наступивший сразу после коммутации, т. е. i L (0−)= i L (0+) . Второй закон коммутации: напряжение на конденсаторе не может измениться скачком.

Либо: u С (0−)= u С (0+) .

Можно дать энергетическое обоснование законов коммутации. Энергию магнитного поля индуктивной катушки определяют по формуле

31. Устройство и принцип действия машины постоянного тока.

Электрическая машина постоянного тока состоит из двух основных частей: неподвижной части ( индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).
На рис. 1 изображена конструктивная схема машины постоянного тока

Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает основной магнитный поток.
Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине.
Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3, обмотки 4, уложенной в пазы сердечника, коллектора 5.
Рис. 1
Сердечник якоря для уменьшения потерь на вихревые точки набирается из изолированных друг от друга листов электротехнической стали.