Электротехника Расчеты электрических цепей

Электротехника
  • Элементы электрических цепей
  • Схемы замещения источников
    электрической энергии
  • Анализ цепи переменного тока
     и входящих в нее элементов
  • Параллельное соединение резистивного
    и индуктивного элементов
  • Машины постоянного и переменного тока
  • Принцип действия асинхронного
    и синхронного двигателей
  • Принцип действия машин постоянного тока
  • Трансформаторы и электромагнитные устройства
  • Трансформатор
  • ПРИВЕДЕННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
  • ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА ТРАНСФОРМАТОРОВ
  • ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
  • СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ
  • Машины переменного тока
  •  Электрические машины разделяются
    на генераторы и электродвигатели
  • Коллекторные двигатели переменного тока
  • Разборка и сборка электродвигателя
    постоянного тока
  • Выполнению ремонтных работ
  • Электроника
  • Электрические и электронные аппараты
    и устройства
  • Некоторые лампы СВЧ диапазона
  • Полупроводниковые диоды
  • Тиристоры.
  • Выпрямители и инверторы промышленной частоты
  • Электронные усилители
  • Обратная связь в усилителях
  • Катодный и эмиттерный повторители
  • Усилители мощности
  • Повторитель напряжения
  • Шумы в усилителях
  • Генераторы электрических колебаний
  • RC-генераторы
  • Ждущий мультивибратор
  • Мультивибратор на ОУ
  • Цифровые электронные устройства
  • Реализация сложных логических функций
    на интегральных микросхемах
  • Последовательные цифровые устройства
  • Счётчик
  • Регистр
  • Комбинационное цифровое устройство
  •  Сумматоры
  • Импульсные генераторы
    на цифровых микросхемах
  • Охлаждение полупроводниковых приборов
  • Способы охлаждения полупроводниковых
    приборов
  • Воздушное, естественное
    и принудительное охлаждение
  • Системы охлаждения силовых модулей
  • Основные методы охлаждения
  • Расчет параметров охладителей
  • Выбор охладителя
  • Дискретные приборы
  •  

    Принцип действия машин постоянного тока.

    Машины постоянного тока различают по способу возбуждения. В машинах с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего источника тока (рис. 7, а).

    Если обмотка возбуждения получает питание от зажимов якоря и присоединена к ним параллельно, то такую машину называют машиной с параллельным возбуждением (рис. 7, 6). Подобную же машину, но с последовательным соединением обмотки возбуждения с зажимами якоря называют машиной последовательным возбуждением (рис. 7, в). В машинах со смешанным возбуждением имеются две обмотки возбуждения, одна из которых соединена с зажимами якоря последовательно, а другая параллельно (рис. 7, г).

    Характеристики машины постоянного тока показывают ее рабочие свойства. Характеристику генератора, выражающую разность между напряжением на его зажимах и силой тока в обмотке якоря, называют внешней характеристикой (рис. 67). На рисунке видно, что в зависимости от способа возбуждения генератора можно получать как стабильные, так и регулируемые напряжения.

    Характеристики двигателей постоянного тока выражают так же зависимость вращающего момента от силы тока в обмотке якоря (рис. 68) и частоты вращения от вращающего момента (рис. 69). Последнюю называют механической характеристикой двигателя. Эти характеристики показывает, что в зависимости от способа питания обмотки возбуждения можно в широких пределах регулировать как значение вращающего момента, так и частоту вращении двигателя постоянного тока.

    Принцип действия машин постоянного тока

    При вращении якоря в его обмотке возникает ЭДС Е, направление которой зависит от направления его вращения.

    При работе в режиме генератора электрическая машина выполняет функции источника энергии, поэтому возникающий в цепи якоря ток I совпадает по направлению с индуцируемой в нем ЭДС Е. Ток якоря разветвляется по двум параллельным ветвям. По цепи обмотки возбуждения протекает ток I, а возбуждения, для возможности регулирования которого включено регулировочное сопротивление Rе. В цепи нагрузки генератора возникает ток I нагрузки, при этом в соответствии с первым законом Кирхгофа для точки разветвления токов: In = I + I.

    ЭДС, возникающую на зажимах якоря, определяют уравнением: Е = СеnФ, где Се — постоянная, зависящая от конструктивных данных машины; n — частота вращения якоря; Ф — результирующий магнитный поток.

    Магнитный поток зависит от магнитодвижущей (намагничивающей) силы обмотки возбуждения, а следовательно, от тока возбуждения I При разомкнутой обмотке возбуждения и вращении якоря создается ЭДС обусловленная остаточным магнитным потоком Ф Значение этой ЭДС- обычно незначительно и составляет 3—5 % от номинального значения напряжения (] на зажимах якоря.

    При подключении цепи обмотки возбуждения к зажимам якоря под действием ЭДС Е возникает относительно небольшой ток I возбуждения, значение которого определяется в соответствии с законом Ома для цепи обмотки возбуждёния

    где R. — сопротивление цепи якоря; R— сопротивление обмотки возбуждения.

    Уравнение, описывающее внешнюю характеристику генератора постоянного тока с параллельным возбуждением U (I), т. е. зависимость напряжения на его зажимах от тока нагрузки при постоянном сопротивлении цепи обмотки возбуждения Rр = соnst и постоянной частоте вращения якоря n = n ном = соnst равной номинальной, можно получить исходя из уравнения электрического равновесия, составленного по второму закону Кирхгофа для цепи якоря: U = Е — RнI Пренебрегая относительно небольшим значением тока возбуждения Iв можно считать, что I= Iн.

    Уменьшение напряжения U на зажимах генератора с параллельным возбуждением с увеличением тока I нагрузки обусловлено тем, что с увеличением его возрастает падение напряжения RнIн на обмотке якоря. При этом вследствие реакции якоря происходит уменьшение результирующего магнитного потока Ф, а следовательно, и ЭДС Е якоря. Указанные причины приводят к уменьшению тока Iв возбуждения, а следовательно, к уменьшению магнитного потока Ф, ЭДС якоря Е и соответственно напряжения U на зажимах генератора. U машин постоянного тока с независимым возбуждением обмотка возбуждения питается от постороннего (независимого) источника, в качестве которого используется другой генератор постоянного тока, аккумуляторная батарея и другие источники постоянного тока.

    Уравнение внешней характеристики генератора с последовательным возбуждением в соответствии со вторым законом Кирхгофа имеет вид: U= Е — Iя (Rя + Rв) где Rв — сопротивление обмотки последовательного возбуждения.

    Особенностью внешней характеристики генератора с последовательным возбуждением является то, что в пределах относительно малых токов нагрузок напряжение на его зажимах воз растает, а при достаточно больших — резко снижается, что обусловливает значительно меньшие токи короткого замыкания, чем у генератора с параллельным и независимым возбуждением.

    Особенностью внешней характеристики генератора с последовательным возбуждением

    Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением отличаются наличием двух обмоток возбуждения. Основной обмоткой возбуждения является обмотка параллельного возбуждения, последовательная обмотка возбуждения выполняет роль вспомогательной. Уравнение внешней характеристики генератора со смешанным возбуждением имеет такой же вид, как и уравнение для генератора с последовательным возбуждением. Однако входящий в выражение ЭДС якоря магнитный поток Ф представляет собой сумму магнитного потока Ф1 создаваемого параллельной обмоткой возбуждения, и магнитного потока Ф2 создаваемого последовательной обмоткой возбуждения: Ф = Ф1 + Ф2

    Изменение направления тока в обмотке последовательного возбуждения приводит к созданию встречного по отношению к основному потоку Ф1 потока Ф2 При этом результирующий магнитный поток Ф = Ф1 — Ф2.

    Электродвигатели постоянного тока в конструктивном отношении не отличаются от генераторов постоянного тока, так как электрические машины постоянного тока обратимы и могут работать как в генераторном, так и в двигательном режимах.

    При подаче на зажимы электрической машины постоянного тока постоянного напряжения (1 в обмотках возбуждения и об мотках якоря возникают токи, В результате взаимодействия тока якоря с магнитным потоком, создаваемым обмоткой возбуждения, в магнитопроводе статора возникает электромагнитный момент М = СмФIя под действием которого якорь электродвигателя приходит во вращение.

    При вращении якоря в его обмотке в результате пересечения магнитных силовых линий индуцируется ЭДС Е=СеnФ, при работе электрической машины в режиме двигателя направленная против тока якоря.

    При пуске электродвигателей постоянного тока путем прямо го включения в питающую сеть возникают значительные пусковые токи, которые могут привести к выходу их из строя вследствие выделения значительного количества теплоты в обмотке якоря в последующего нарушения ее изоляции. Поэтому пуск двигателей постоянного тока производится с помощью специальных пусковых приспособлений, в частности пусковых реостатов.

    Для якорной цепи электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением уравнение электрического равновесия, составленное в соответствии со вторым законом Кирхгофа относительно напряжения U, подводимого от питающей сети, имеет вид: U = Е+RяIя.

    С учетом выражения для ЭДС Е = СеnФ, записан полученное выражение относительно частоты вращения, получаем уравнение частотной (скоростной) характеристики п(Iя) электродвигателя

    При отсутствии нагрузки (при токе якоря Iя = 0) частота вращения электродвигателя n = U/СеФ =n0 , т. е. равна частоте вращения n0 идеального холостого хода, которая зависит от под водимого напряжения U и магнитного потока Ф.

    Для электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением уравнение электрического равновесия имеет вид:

    U = E+Iя(Rя + Rв)

    Так как Е = СеnФ, уравнение механической характеристики этого двигателя приводится к виду:

    Электродвигатель постоянного тока со смешанным возбуждением кроме обмотки параллельного возбуждения, магнитный по ток которой Ф1 = соnst при постоянном значении напряжения U = соnst, имеет последовательную обмотку возбуждения, магнитный поток Ф2 которой зависит от тока якоря Iя, т. е. от его нагрузки.

    Уравнение электрического равновесия и уравнение частотной характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением имеют такой же вид, как и соответствующее уравнение, записанное для двигателя с последовательным возбуждением. Однако при этом следует учесть, что результирующий магнитный поток равен сумме магнитных потоков, создаваемых последовательной и параллельной обмотками возбуждения:

    Ф= Ф1+Ф2

    В уравнениях частотных характеристик электромагнитный момент двигателя можно выразить через ток якоря М = СмФIя, при этом ура механической характеристики n(М) при U = соnst для двигателя с параллельным возбуждением приобретает вид

    а для двигателей с последовательным и смешанным возбуждением.

    Пренебрегая влиянием реакции якоря в процессе изменения нагрузки на валу, электромагнитный момент можно считать пропорциональным току якоря. Поэтому механические характеристики электродвигателей имеют такой же вид, как и соответствующие частотные характеристики.

    Для  электродвигателей постоянного тока важной является моментная характеристика М(Iя) т. е. зависимость электромагнитного момента от тока якоря. Для двигателя с параллельным возбуждением эта зависимость определяется соотношением: М = СмФIя Пренебрегая влиянием реакции якоря, для этого двигателя можно принять Ф = соnst вследствие чего зависимость М(Iя) при U = соnst представится в виде прямой, проходящей через начало координат. Для двигателя с последовательным возбуждением зависимость М(Iя) является более сложной, так как входящий в выражение для момента М = СмФIя магнитный поток является функцией тока якоря. При некоторых допущениях для этих двигателей можно принять, что М∞I2я

    Рабочие характеристики электродвигателей постоянного тока представляют собой зависимости частоты вращения n, момента М, тока якоря I и КПД η от полезной мощности на его валу Р2 т. е. n(Р2), М(Р2), Iя(Р2), η(Р2) при неизменном значении подводимого к двигателю напряжения U = соnst.

    Анализ рабочих характеристик электродвигателя постоянного тока с параллельным возбуждением показывает, что частота вращения их в соответствии с увеличением нагрузки несколько уменьшается. Зависимость полезного момента на валу двигателя от нагрузки М(Р2) представляет собой прямую линию, так как момент двигателя пропорционален нагрузке на валу: М == 9550- Р2/n

    При увеличении мощности, развиваемой электродвигателем на валу, ток якоря изменяется приблизительно по той же зависимости, что и момент, так как при условии Ф = соnst ток якоря Iя пропорционален моменту М.

    КПД электродвигателя определяется отношением полезной мощности на валу Р2 к мощности Р1, потребляемой из сети:

    где Р1 = UI, Р = I2я— электрические потери мощности в цепи якоря; Рэв = UI = I2яR электрические потери мощности в цепи возбуждения; Рмех — механические потери;  Рд — добавочные потери; Рм — потери мощности на гистерезис и вихревые токи в магнитопроводе.

    КПЛ электродвигателей с увеличением мощности на валу возрастает и достигает своего максимального значения, когда переменные потери мощности в электродвигателе оказываются равными постоянным потерям в нем, т. е. при Рм = Рэв + Рэя + Рмех + Рд

    Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока с последовательным возбуждением имеют несколько другой вид по сравнению с рабочими характеристиками электродвигателя с параллельным возбуждением, так как с изменением нагрузки на валу изменяется магнитный поток.

    Рабочие характеристики электродвигателя постоянного тока со смешанным возбуждением представляют собой зависимости, занимающие среднее положение между рабочими характеристиками двигателя с параллельным и двигателя с последовательным возбуждением. Анализ показывает, что частоту вращения электродвигателей постоянного тока можно регулировать включением добавочного сопротивления R1 в цепь якоря, изменением магнитного потока Ф и изменением напряжения U, подводимого к двигателю.

    Широко применяется, особенно в системе «генератор – двигатель», способ регулирования частоты вращения путем изменения напряжения на зажимах якоря. 

    Потребность в специальных машинах постоянного тока возникла главным образом в связи с автоматизацией производства и развитием электрифицированного транспорта.

    В системах автоматического управления и регулирования применяют исполнительные двигатели. Они предназначены для преобразования электрического сигнала в механическое перемещение, например во вращение вала. Мощность исполнительных двигателей обычно бывает 500—600 Вт. Они должны отвечать таким требованиям, как быстродействие, высокая надежность, точность регулирования частоты вращения. В качестве исполнительных двигателей применяют двигатели постоянного тока с печатной обмоткой якоря. Якорь делают в виде тонкого диска из текстолита, стекла или другого немагнитного материала, на обе стороны которого печатным способом наносят проводники обмотки якоря. Магнитное поле статора создается постоянными магнитами и усиливается с помощью кольца из ферромагнитного материала. В последние годы при меняют также машины постоянного тока с гладким якорем. У него обмотка расположена не в вазах, а непосредственно на сердечнике. Эти машины имеют улучшенные характеристики, что обеспечивается меньшей индуктивностью обмотки якоря и повышенной магнитной индукцией в воздушном зазоре между якорем и статором.

    В автоматических системах обычно требуется усиливать электрические сигналы, для этой цели нередко применяют усилители, в которых энергия преобразуется с помощью электронных ламп или транзисторов. Распространены также электромашинные усилители — ЭМУ.

    Такой усилитель представляет собой машину постоянного тока, на обмотку возбуждения которой может подаваться сигнал, подлежащий усилению. Усиление достигается за счет использования энергии первичного двигателя, как правило, электрического. С помощью ЭМУ достигается усиление мощности сигнала в 10000 – 100000 раз.

    Устройство электромашинного усилителя довольно сложное, а для объяснения принципа его работы надо иметь специальные знания. Поэтому в данном пособии эти вопросы не рассматриваются .

    На различных видах электрифицированного транспорта применяют тяговые электрические двигатели. Обычно это двигатели постоянного тока с последовательным возбуждением.

    Однако условия их работы отличаются от условий работы электрических двигателей, используемых в стационарных установках. Тяговые двигатели работают в условиях частого пуска, резких изменений напряжения, силы тока, частоты вращения. Следовательно, тяговые двигатели должны обладать большим пусковым вращающим моментом (это обеспечивается благодаря последовательному возбуждению) и возможностью регулирования в широких пределах частоты вращения. Все это обуславливает особенности конструкции тяговых двигателей в отличие от электрических машин общего назначения.

    Литература

    Основы теории цепей: Учеб. для вузов /Г.В.Зевеке, П.А.Ионкин, А.В.Нетушил, С.В.Страхов. –5-е изд., перераб. –М.: Энергоатомиздат, 1989. -528с.

    Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи. Учеб. для студентов электротехнических, энергетических и приборостроительных специальностей вузов. –7-е изд., перераб. и доп. –М.: Высш. шк., 1978. –528с.

    Теоретические основы электротехники. Учеб. для вузов. В трех т. Под общ. ред. К.М.Поливанова. Т.1. К.М.Поливанов. Линейные электрические цепи с сосредоточенными постоянными. –М.: Энергия- 1972. –240с.

    Контрольные вопросы

    Какое поле называется пульсирующим?

    Какое поле называется вращающимся круговым?

    Какие условия необходимы для создания кругового вращающегося магнитного поля?

    Какой принцип действия у асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором?

    Какой принцип действия у синхронного двигателя?

    На какие синхронные скорости выпускаются в нашей стране двигатели переменного тока общепромышленного исполнения?

    Реализация сложных логических функций на интегральных микросхемах