Теоретическая подготовка.

Практическое занятие

«Техническая характеристика машин

Постоянного и переменного тока»

Цель работы:

1. Научиться расшифровывать маркировку машин переменного тока.

2. Научиться производить элементарный расчет машин переменного тока.

3. Научиться производить элементарный расчет машин постоянного тока.

Теоретическая подготовка.

Все электрические машины подразделяются на машины переменного тока и машины постоянного тока. Любая электрическая машины состоит из двух основных частей – статора и ротора. Статор – неподвижная часть машины. Ротор – вращающая (подвижная) часть машины. Электрические машины так же подразделяются на двигатели и генераторы. Генераторы – превращают механическую энергию в электрическую. Двигатели – электрическую в механическую.

Работа машин переменного тока основана на использовании вращающегося магнитного поля и основных законов электротехники. Скорость вращения магнитного поля принято обозначать n₁, а скорость вращения ротора n₂. Частоту вращения магнитного поля относительно ротора, т.е. разность

n₁-n₂ - называют скольжением и обозначают S.

S = %

Частота вращения магнитного поля статора n₁ зависит от числа пар полюсов двигателя p, на которое сконструирована обмотка статора, и от частоты тока трехфазной системы f: n₁= 60f/p.

Частота тока в цепи (промышленная частота) f= 50 Гц. Тогда формула примет вид n₁= 60 · 50/pоб/мин.Из формулы следует, что при любой механической нагрузке, которую может преодолеть двигатель, синхронная частота n1остается неизменной, так как зависит только от конструкции обмотки статора, т.е. от числа пар полюсов. Частота вращения n2связана с частотой вращения n1

характеристикой двигателя. Поэтому частота вращения ротора всегда

меньше частоты вращения магнитного поля статора двигателя. С ростом

нагрузки двигателя частота вращения n2немного уменьшается, что приводит к росту скольжения s. Из-за такого неравенства n₂<₁1двигатель называется

асинхронным. Для нужд производства электродвигатели выпускаются с

разной конструкцией обмоток статора, что создает разное число пар полюсов p и, следовательно, разные значения частоты вращения n1. Следует иметь в виду, что при изменении числа пар полюсов p частота вращения n1изменяется скачкообразно.

Таблица 1

p1
n1, об/мин

Синхронную частоту вращения двигателя можно определить и без вычисления, а зная только частоту вращения ротора n₂, которая по величине близка к ней.

Если, например, n₂= 2930 об/мин, то ближайшая из указанного ряда

синхронных частот вращения может быть только n1= 3000 об/мин или для

n₂= 490 об/мин синхронная частота вращения двигателя будет n₁=500 т.д. Поэтому в паспорте двигателя указывают только значение номинальной частоты вращения ротора n₂ ном.

Обозначение типа электродвигателя расшифровывается так:

1) цифра – порядковый номер серии;

2) Буква – А – асинхронный;

3) Буква – Х алюминиевая оболочка и чугунные щиты

В – двигатель встроен в оборудование;

Н – исполнение защищенное 1Р23, для закрытых двигателей исполнение 1р144;

Р – двигатель с повышенным пусковым моментом;

С – сельскохозяйственного назначения;

Отсутствие буквы обозначает, что корпус полностью выполнен из чугуна

4) цифры – показывают высоту оси вращения в мм (100,250);

5) буквы S,M,L/ S – станина самая короткая; М – промежуточная; L – самая длинная;

6) цифра после установочного размера – число полюсов (если несколько полюсов, то указывается через дробь);

7) буква У – климатическое исполнение – для умеренного климата;

8) последняя цифра 1,2,3 – категория размещения. 1 – на открытом воздухе, 2- для закрытых отапливаемых помещений, 3- не отапливаемых помещений.

Работа электрической машины постоянного тока (генератора, двигателя) характеризуется взаимодействием двух вращающих моментов, направленных навстречу друг другу. Один момент создается механическими силами, а другой электромагнитными силами. Так же характеризуется взаимодействием напряжения сети и ЭДС, возникающей в обмотке якоря.

Для генератора Е = U + I_яR_я

Для двигателя U = E+ I_яR_я

Электромагнитный момент (полный момент) определяется

М_эл= (р/2аp)/NI_яФ.где

Р- число магнитных полюсов;

2а – число параллельных ветвей;

N – общее число активных проводников;

Ф- магнитный поток (Вб);

I_я- сила тока в якоре (а)

Если магнитный поток машины неизвестен, то его можно найти из формулы

Е = (рn/60a)NФ, следовательно Ф = (60а/р∙n)E тогда

М_эл =60ЕI_я./2pn = ЕI_я./w

Полезный номинальный момент на волу двигателя

М_ном=Р_ном/w= р_ном/2pn/60= 60Рном/2pn, где

n - скорость вращения ротора.

Возбуждением генератора называют создание рабочего магнитного потока, благодаря которому во вращающемся якоре создается ЭДС. Генераторы постоянного тока в зависимости от способа подключения обмоток возбуждения различают: независимого (а), параллельного(б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения.

Генератор независимого возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, подключаемую к постороннему источнику тока через регулировочный реостат (Рис. а). Напряжение на зажимах такого генератора с увеличением тока нагрузки несколько уменьшается в результате падения напряжения на внутреннем сопротивлении якоря, причем напряжения получаются всегда устойчивыми. Это свойство оказывается весьма ценным в электрохимии (питание электролитических ванн).

Генератор параллельного возбуждения является генератором с самовозбуждением: обмотку возбуждения ОВ подключают через регулировочный реостат к зажимам того же генератора (Рис б). Такое включение приводит к тому, что при увеличении тока нагрузки I, напряжение на зажимах генератора U" уменьшается из-за падения напряжения на обмотке якоря. Это, в свою очередь, вызывает уменьшение тока возбуждения и ЭДС в якоре. Поэтому напряжение на зажимах генератора U_B уменьшается несколько быстрее чем у генератора независимого возбуждения.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к настолько сильному уменьшению тока возбуждения, что при коротком замыкании цепи нагрузки напряжение падает до нуля (небольшой ток короткого замыкания обусловлен лишь остаточной индукцией в машине). Поэтому считают, что генератор параллельного возбуждения не боится короткого замыкания.

Генератор последовательного возбуждения имеет обмотку возбуждения ОВ, включаемую последовательно с якорем (Рис., в). При отсутствии нагрузки ( =0) в якоре все же возбуждается небольшая ЭДС за счет остаточной индукции в машине С ростом нагрузки напряжение на зажимах генератора сначала растет, а после достижения магнитного насыщения магнитной системы машины оно начинает быстро уменьшаться из-за падения напряжения на сопротивлении якоря и из-за размагничивающего действия реакции якоря. Из-за большого непостоянства напряжения с изменением нагрузки генераторы с последовательным возбуждением в настоящее время не применяют.

Генератор смешанного возбуждения имеет две обмотки: 0В_У - включаемую параллельно якорю, ОВ₂ (дополнительную) - последовательно (Рис. г). Обмотки включают так, чтобы они создавали магнитные потоки одного направления, а число витков в обмотках выбирают таким, чтобы падение напряжения на внутреннем сопротивлении генератора и ЭДС реакции якоря были бы скомпенсированы ЭДС от потока параллельной обмотки.

Электрические машины постоянного тока, как и машины переменного тока, обратимы, т.е. они могут работать как генераторы и как двигатели.

Пример. 1. Расшифровать условные обозначения двигателя 4А250S4У3

Расшифровка.

1) Двигатель 4 серии

2) асинхронны;

3) буква отсутствует, следовательно корпус полностью выполнен из чугуна;

4) высота оси вращения 250 мм;

5) S –станина самая короткая;

6) Число полюсов -4

7) У – для умеренного климата;

8) 3 – эксплуатировать в закрытых не отапливаемых помещениях.

Пример 2.

Трехфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором 4АР160S6E3 питается от сети с линейным напряжением U_л = 220 В. Заданы параметры двигателя: номинальная мощность Р_н = 11 кВт; частота вращения n_н = 975 об/мин; коэффициент полезного действия h_н = 83 %; коэффициент мощности при номинальной нагрузке cоs j1н = 0.85; cспособность к перегрузке M_мах / M_н =2,2;кратность пускового момента М_пуск/М_ном=2; кратность пускового тока I п / I_н = 7. Номинальное фазное напряжение обмотки статора U_ф = 220 В.Частота напряжения 50Гц. Требуется определить: 1) способ включения обмотки статора; 2) фазные и линейные токи двигателя; 3) число пар полюсов; 4) номинальное скольжение и номинальный момент; 6) значение пускового тока; 7) расшифровать условные обозначения.8) потребляемую мощность Р_пот.

Дано n_н = 975об/мин Р_н = 11 кВт U_л = 220 В h_н = 87,3 %; cоs j1н = 0.85 M_мах / M_н=2 М_пуск/М_ном=2; I п / I_н = 7. U_ф = 220 В f=50Гц

Решение 1.Расшифровка 1) Двигатель 4 серии 2) асинхронны; 3) буква Р двигатель с повышенным пусковым моментом; 4) высота оси вращения 160 мм; 5) S –станина самая короткая; 6) Число полюсов -6 7) У – для умеренного климата; 8) 3 – эксплуатировать в закрытых не отапливаемых помещениях. 2. Обмотка статора асинхронного двигателя должна быть соединена по схеме в треугольник, так как линейное напряжение сети и фазное напряжение обмотки равны. Активная мощность, потребляемая двигателем из сети, определяется формулой Р₁=

=12,6 кВт 3. Номинальное скольжение двигателя. Из таблицы синхронных частот выбираем частоту самую близкую к заданной S =

=2% 4.Найходим номинальный момент двигателя. М_ном=9,55

=107,74Н м

Р_пот. M_мах;M_н М_пуск,I_ном,I_пуск,S

5.М_пуск= 2∙ М_ном=2∙107,74Н м=215,49 Н м

6.М_мак=2,2× М_ном=2,2×107,74Н м=237,28 Н м

7.I_ном.ф= = =2,24 А – ток в фазе обмотки статора

I_л=Iл = Iф =×2,24 А=3,16 А - линейный ток, потребляемый из сети

Пример 3. Генератор с параллельным возбуждением рассчитан на напряжение

U=220В и имеет сопротивление обмотки якоря R_я=0,1Ом. Сопротивление обмотки возбуждения R_в=110 Ом. Генератор нагружен на сопротивление R_н=1,1 Ом. КПД генератора 85 %/ Определить: 1) токи в обмотке возбуждения I_в, в обмотке якоря I_я, в нагрузке I_н; 2) ЭДС генератора Е; 3) полезную мощность Р_пол;

4)затраченную мощность Р_зат;5) электрические потери в якоре Р_яи возбуждения;

6) суммарные потери SР

Дано U=220В R_я=0,1Ом. R_в=110 Ом R_н=1,1 Ом. h₌85%

I_в, I_я, I_н;Е Р_пол Р_зат, Р_я, SР

Решение

1.Т.к. обмотка возбуждения и обмотка якоря соединены параллельно то U_н =U_в = U_я =220 B, тогда

2. I_в=U_ном/R_воз= 220В/110

I_наг=U_ном/R_наг= 220В/1,1 Ом =200 А

I_я= I_в+ I_наг 2+200=202 А

3.Найдем ЭДС генератора Е = U + I_яR_я= 220+ I_яR_я=. 220+202×0,1 =240,2В

4.Р_пол= I_нагU_ном= 200 А×220В=44кВт

5.Р_зат = Р_пол/h =44000/0,85=51764,71 Вт=51,76кВт

6. Р_я=

Оборудование: калькулятор, конспект лекций, тетрадь для практических работ, метод.указания.

Самостоятельная работа студентов. Каждому студенту выдать свой вариант задания. Номер варианта соответствует номеру по списку в журнале. Варианты заданий в дидактическом приложении №4

Контрольные вопросы.

1.Почему асинхронный двигатель имеет низкий коэффициент мощности на холостом ходу?

2. Каким способом можно плавно регулировать частоту вращения асинхронного двигателя? Покажите на механических характеристиках.

3 Объяснить, почему для малозагруженного двигателя параллельного возбуждения опасен обрыв в цепи его обмотки возбуждения.

Критерии оценки.

« отл» 90-100% - 4 пункта работы выполнены правильно

«хор» 89-80% - 3 пункта работы правильно, в 4-м есть незначительные ошибки

«удовл» 70 -79% - выполнены правильно 3 пункта работы

Дидактическое приложение №4 к практической работе «Техническая характеристика машин переменного и постоянного тока»

Вариант 1

4A100SУ3; n₁=300 об/мин; S=0.0333; n_ном= 0.88; сos = 0.9; f = 50 Гц

Определить М_ном; Р_ном;М_пуск; М_мах; I_пуск; I_ном; f_р Р_зат.

Вариант 2

4AP160S4У3; P_ном= 15 кВт; n₂= 1465 об/мин; n_ном= 0.865; f = 50 Гц

Определить n₁; S_ном; cos ; M_ном; M_max;I _пуск; I_ном; f_р Р_зат.

Вариант 3

4A132M2CУ3; P_ном=2.2 кВт; сos альфа = 0.73; M_ном= 22.1 н ^.м;

f = 50 Гц

Определить; n₁; n₂; S_ном; n_ном; M_пуск; M_макс;I_пуск; I_ном; f_р Р_зат.

Вариант 4

4A250M6У3; n₁=1000 об/мин; n_ном=0.915; cos =0.88; f=50 Гц

Определить; M_ном;; M_пуск; M_максn₂; P_ном; _{; ;} I_пуск; I_ном; f_р;_S

Вариант 5

4A180S 4/2У3; P_ном=11 кВт; n₂=2900 об/мин; _ном=0.88; cos =0.9;

f=50 Гц

Определить; n₁; S_ном; M_ном; M_пуск; M_макс; _к; M_максI_пуск; I_ном; f_р

Вариант 6

4A100S 6/4У3; P_ном=4 кВт; n₂=2880об / мин; cos =0.89;

I_пуск /I_ном=7.5;M_пуск/M_ном=2;M_max/M_ном=2,2; n=0.86; f=50 Гц

Определить; n₁; S; M_ном; M_max; I_пуск; I_ном; f_р;M_пуск

Вариант 7

4A160S 8/4 У3; n₂= 750 об/мин; _ном= 0.86; f = 50 Гц. (недостающие технические данные двигателя взять в таблице)

Определить: S; M_ном; M_max; I_пуск; I_ном; f_р;M_пуск

Вариант 8

4AH250M8У3; n₁= 1500 об/мин; n_ном= 0.865; f = 50 Гц (недостающие технические данные двигателя взять в таблице)

Определить M_ном; P_ном; M_пуск; M_max I_пуск; I_ном; f_р;_S

Вариант 9

4A250M4У3; P_ном= 55 кВт; f = 50 Гц (недостающие технические данные двигателя взять в таблице)

Определить: M_ном; P_ном; M_пуск; M_max I_пуск; I_ном; f_р;_S

Вариант 10

4A80A4У3; n₂= 1500 об/мин; f =50 Гц (недостающие технические данные двигателя взять в таблице)

Определить: M_ном; P_ном; M_пуск; M_max I_пуск; I_ном; f_р_;_S

Вариант 11

A90L4J3; P_ном= 2.2 кВт; U_ном= 380 В; по таблице найти данные для двигателя

Определить: M_ном; P_ном; M_пуск; M_max I_пуск; I_ном; f_р_;_S

Вариант 12

4AP180S4У3; M _max / M_ном= 2.2; I_пуск / I_ном= 7.5(недостающие технические данные двигателя взять в таблице)