Кроме соединения звездой, генераторы или потребители трехфазного тока могут включаться
треугольником.
При равномерной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в V3 раз больше фазного тока.
В двигателях и других потребителях трехфазного тока в большинстве случаев выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на которую и выводят все шесть концов.
Мощность трехфазной системы можно рассчитать по формуле: P = ?3· IUcos ?.
68. ТРАНСФОРМАТОРЫ
69. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
70. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
71. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
72. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
73. ТИПЫ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
74. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
75. ВЫПРЯМИТЕЛИ
При равномерной нагрузке, соединенной треугольником, линейный ток в V3 раз больше фазного тока.
В двигателях и других потребителях трехфазного тока в большинстве случаев выводят все шесть концов трех обмоток, которые по желанию можно соединять либо звездой, либо треугольником. Обычно к трехфазной машине крепится доска из изоляционного материала (клеммная доска), на которую и выводят все шесть концов.
Мощность трехфазной системы можно рассчитать по формуле: P = ?3· IUcos ?.
68. ТРАНСФОРМАТОРЫ
В 1876 г.
П.И. Яблочковпредложил пользоваться трансформатором для питания свечей. В дальнейшем конструкции трансформаторов разрабатывал другой русский изобретатель, механик
И.Ф. Усагин,который предложил применять трансформаторы для питания не только свечей Яблочкова, но и других потребителей электрической энергии.
Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга.
Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой,а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.
Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них ЭДС.
Так как магнитный поток переменный, то индуктированная ЭДС во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.
Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будут индуктироваться ЭДС.
Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке величина ЭДС каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой: ?1 / ?2 = N1 / N2, где ?1 и ?2 – ЭДС первичной и вторичной обмоток, N1 и N2 – числа витков первичной и вторичной обмоток.
Разница между ЭДС и напряжением так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой: U1 / U2 == N1 /N2. Разница между ЭДС и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой в ней ЭДС.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k.k = U1 / U2 ? N1 / N2.
Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.
Трансформаторы, которые служат для повышения напряжения, называют повышающими; коэффициент трансформации у них меньше единицы. Понижающие трансформаторы понижают напряжение; коэффициент трансформации у них больше единицы.
Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.
Трансформатор представляет собой электрический аппарат, основанный на явлении взаимоиндукции и предназначенный для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же самой частоты. Простейший трансформатор имеет стальной сердечник и две обмотки, изолированные как от сердечника, так и друг от друга.
Обмотка трансформатора, которая подключается к источнику напряжения, называется первичной обмоткой,а та обмотка, к которой подключаются потребители или линии передач, ведущие к потребителям, называется вторичной обмоткой.
Переменный ток, проходя по первичной обмотке, создает переменный магнитный поток, который сцепляется с витками вторичной обмотки и наводит в них ЭДС.
Так как магнитный поток переменный, то индуктированная ЭДС во вторичной обмотке трансформатора также переменная и частота ее равна частоте тока в первичной обмотке.
Переменный магнитный поток, проходящий по сердечнику трансформатора, пересекает не только вторичную обмотку, но и первичную обмотку трансформатора. Поэтому в первичной обмотке также будут индуктироваться ЭДС.
Величины ЭДС, индуктирующихся в обмотках трансформатора, зависят от частоты переменного тока, числа витков каждой обмотки и величины магнитного потока в сердечнике. При определенной частоте и неизменном магнитном потоке величина ЭДС каждой обмотки зависит только от числа витков этой обмотки. Эту зависимость между величинами ЭДС и числами витков обмоток трансформатора можно выразить формулой: ?1 / ?2 = N1 / N2, где ?1 и ?2 – ЭДС первичной и вторичной обмоток, N1 и N2 – числа витков первичной и вторичной обмоток.
Разница между ЭДС и напряжением так мала, что зависимость между напряжениями и числами витков обеих обмоток можно выразить формулой: U1 / U2 == N1 /N2. Разница между ЭДС и напряжением в первичной обмотке трансформатора становится особенно малой тогда, когда вторичная обмотка разомкнута и ток в ней равен нулю (холостая работа), а в первичной обмотке протекает только небольшой ток, называемый током холостого хода. При этом напряжение на зажимах вторичной обмотки равно наводимой в ней ЭДС.
Число, показывающее, во сколько раз напряжение в первичной обмотке больше (или меньше) напряжения во вторичной обмотке, называется коэффициентом трансформации и обозначается буквой k.k = U1 / U2 ? N1 / N2.
Номинальное напряжение обмоток высшего и низшего напряжений, указанное на заводском щитке трансформатора, относится к режиму холостого хода.
Трансформаторы, которые служат для повышения напряжения, называют повышающими; коэффициент трансформации у них меньше единицы. Понижающие трансформаторы понижают напряжение; коэффициент трансформации у них больше единицы.
Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано переменное напряжение, называется холостым ходом или холостой работой трансформатора.
69. УСТРОЙСТВО И ТИПЫ ТРАНСФОРМАТОРОВ
Сердечник (магнитопровод)трансформатора образует замкнутый для магнитного потока контур и изготовляется из листовой электротехнической (трансформаторной) стали толщиной 0,5 и 0,35 мм. Электротехническая сталь представляет собой сталь, в состав которой входит 4–4,8 % кремния по весу. Присутствие кремния улучшает магнитные свойства стали и увеличивает ее удельное сопротивление вихревым токам. Отдельные листы стали для изоляции их один от другого покрывают слоем лака, после чего стягивают болтами, пропущенными в изолирующих втулках. Такое устройство применяют для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным магнитным потоком. Части магнитопровода, на которые надевается обмотка, называются стержнями. Стержни соединяются верхним и нижним ярмом.
По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые. У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформаторов броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.
Обмотка трансформатора выполнятся из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.
На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который поме' щают обмотку высшего напряжения.
Такие трансформаторы называют двухобмоточны-ми. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходится одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения. Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна – обмоткой среднего напряжения и другая – обмоткой низшего напряжения. Такие трансформаторы называют трехобмоточными.
Для трансформации трехфазного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора. Затраты трансформаторной стали на трехфазный трансформатор значительно меньше, чем на устройство трех однофазных трансформаторов.
Если мощность, нужная для трансформации, больше мощности одного трансформатора, то в этом случае несколько трансформаторов включается на параллельную работу.
Для включения на параллельную работу однофазных трансформаторов необходимо выполнить следующие условия.
1. Напряжения первичных и вторичных обмоток параллельно включаемых трансформаторов должны быть равны. В этом случае коэффициенты трансформации трансформаторов окажутся также равными.
2. Равенство напряжений короткого замыкания.
3. Включение одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напряжений.
Автотрансформатор представляет собой такой трансформатор, на сердечнике которого имеется только одна обмотка. К различным точкам этой обмотки присоединены одновременно и первичная, и вторичная цепи. Магнитный поток автотрансформатора индуктирует электрическую силу в обмотке. Эта электродвижущая сила почти равна подводимому напряжению.
По конструкции магнитопровода различают два типа трансформаторов: стержневые и броневые. У трансформатора стержневого типа обмотки охватывают стержни магнитопровода; у трансформаторов броневого типа магнитопровод, наоборот, как «броней», охватывает обмотки. В случае неисправности в обмотке броневого трансформатора ее неудобно осматривать и трудно ремонтировать. Поэтому наибольшее распространение получили трансформаторы стержневого типа.
Обмотка трансформатора выполнятся из изолированной круглой или прямоугольной меди. На стержень магнитопровода предварительно надевают изолирующий (обычно картонный, пропитанный бакелитовым лаком) цилиндр, на котором помещают обмотку низшего напряжения. Расположение обмотки низшего напряжения ближе к стержню объясняется тем, что ее проще изолировать от стального стержня, чем обмотку высшего напряжения.
На наложенную обмотку низшего напряжения надевают другой изолирующий цилиндр, на который поме' щают обмотку высшего напряжения.
Такие трансформаторы называют двухобмоточны-ми. Встречаются трансформаторы, у которых на фазу приходится одна первичная и две вторичные обмотки. Первичная обмотка является обмоткой высшего напряжения. Вторичные обмотки в зависимости от величины напряжения на их зажимах называются: одна – обмоткой среднего напряжения и другая – обмоткой низшего напряжения. Такие трансформаторы называют трехобмоточными.
Для трансформации трехфазного тока можно пользоваться однофазными трансформаторами. Если объединить сталь трех сердечников в один общий сердечник, мы получим сердечник трехфазного трансформатора. Затраты трансформаторной стали на трехфазный трансформатор значительно меньше, чем на устройство трех однофазных трансформаторов.
Если мощность, нужная для трансформации, больше мощности одного трансформатора, то в этом случае несколько трансформаторов включается на параллельную работу.
Для включения на параллельную работу однофазных трансформаторов необходимо выполнить следующие условия.
1. Напряжения первичных и вторичных обмоток параллельно включаемых трансформаторов должны быть равны. В этом случае коэффициенты трансформации трансформаторов окажутся также равными.
2. Равенство напряжений короткого замыкания.
3. Включение одинаковыми фазами со стороны высшего и низшего напряжений.
Автотрансформатор представляет собой такой трансформатор, на сердечнике которого имеется только одна обмотка. К различным точкам этой обмотки присоединены одновременно и первичная, и вторичная цепи. Магнитный поток автотрансформатора индуктирует электрическую силу в обмотке. Эта электродвижущая сила почти равна подводимому напряжению.
70. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Асинхронной машинойназывается машина переменного тока, у которой скорость вращения ротора меньше скорости вращения магнитного поля статора и зависит от нагрузки. Асинхронная машина, как и другие электрические машины, обладает свойством обратимости, т. е. она может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
Трехфазный асинхронный двигатель был изобретен русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1890 г. и с тех пор, подвергаясь усовершенствованиям, прочно занял свое место в промышленности и получил массовое распространение во всех странах мира.
Асинхронный двигатель имеет две основные части – статор и ротор.Статором называется неподвижная часть машины. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным переменным током. Вращающаяся часть машины называется ротором, в пазах его также уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается возможно малым.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами.
Асинхронные двигатели делятся на бесколлекторные и коллекторные. Наибольшее распространение получили бесколлекторные двигатели. Они применяются там, где требуется приблизительно постоянная скорость вращения и не требуется ее регулировка. Бесколлекторные двигатели просты по устройству, безотказны в работе и имеют высокий КпД.
Если подключить обработку статора к сети трехфазного переменного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного тока ротора и индуктировать в ней ЭДС. Ротор при своем вращении не может догнать вращающееся магнитное поле статора. Если предположить, что ротор будет иметь такую же скорость вращения, как и магнитное поле статора, то токи в обмотке ротора исчезнут. С исчезновением токов в обмотке ротора прекратится взаимодействие их с полем статора и ротор станет вращаться медленнее вращающегося поля статора. Однако при этом обмотка ротора вновь начнет пересекаться вращающимся полем статора и на ротор снова будет воздействовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен отставать от скорости вращения магнитного поля статора, т. е. вращаться асинхронно (не в такт с магнитным полем), почему эти двигатели и получили название асинхронных.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Устройство асинхронного двигателя следующее. На неподвижной части двигателя – статоре размещается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе двигателя. Так как в обмотках статора протекает переменный ток, то по стали статора будет проходить переменный магнитный поток. Для уменьшения вихревых токов, возникающих в статоре, его делают из отдельных штампованных листов легированной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Недостатки: трудность регулировки скорости вращения и большой пусковой ток. Поэтому наряду с ними применяют еще асинхронные двигатели с фазным ротором.
Устройство статора такого двигателя и обмотка его не отличаются от устройства статора двигателя с ко-роткозамкнутым ротором. Различие между двумя этими двигателями заключается в устройстве ротора. Электродвигатель с фазным ротором имеет ротор, на котором, как и на статоре, помещены три фазные обмотки, соединенные между собой звездой.
Трехфазный асинхронный двигатель был изобретен русским инженером М.О. Доливо-Добровольским в 1890 г. и с тех пор, подвергаясь усовершенствованиям, прочно занял свое место в промышленности и получил массовое распространение во всех странах мира.
Асинхронный двигатель имеет две основные части – статор и ротор.Статором называется неподвижная часть машины. С внутренней стороны статора сделаны пазы, куда укладывается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным переменным током. Вращающаяся часть машины называется ротором, в пазах его также уложена обмотка. Статор и ротор собираются из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Отдельные листы стали изолируются один от другого слоем лака. Воздушный зазор между статором и ротором делается возможно малым.
В зависимости от конструкции ротора асинхронные двигатели бывают с короткозамкнутым и с фазным роторами.
Асинхронные двигатели делятся на бесколлекторные и коллекторные. Наибольшее распространение получили бесколлекторные двигатели. Они применяются там, где требуется приблизительно постоянная скорость вращения и не требуется ее регулировка. Бесколлекторные двигатели просты по устройству, безотказны в работе и имеют высокий КпД.
Если подключить обработку статора к сети трехфазного переменного тока, то внутри статора возникает вращающееся магнитное поле. Магнитные линии поля будут пересекать обмотку неподвижного тока ротора и индуктировать в ней ЭДС. Ротор при своем вращении не может догнать вращающееся магнитное поле статора. Если предположить, что ротор будет иметь такую же скорость вращения, как и магнитное поле статора, то токи в обмотке ротора исчезнут. С исчезновением токов в обмотке ротора прекратится взаимодействие их с полем статора и ротор станет вращаться медленнее вращающегося поля статора. Однако при этом обмотка ротора вновь начнет пересекаться вращающимся полем статора и на ротор снова будет воздействовать вращающий момент. Следовательно, ротор при своем вращении всегда должен отставать от скорости вращения магнитного поля статора, т. е. вращаться асинхронно (не в такт с магнитным полем), почему эти двигатели и получили название асинхронных.
Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором является самым распространенным из электрических двигателей, применяемых в промышленности. Устройство асинхронного двигателя следующее. На неподвижной части двигателя – статоре размещается трехфазная обмотка, питаемая трехфазным током. Начала трех фаз этой обмотки выводятся на общий щиток, укрепленный снаружи на корпусе двигателя. Так как в обмотках статора протекает переменный ток, то по стали статора будет проходить переменный магнитный поток. Для уменьшения вихревых токов, возникающих в статоре, его делают из отдельных штампованных листов легированной стали толщиной 0,35 и 0,5 мм. Недостатки: трудность регулировки скорости вращения и большой пусковой ток. Поэтому наряду с ними применяют еще асинхронные двигатели с фазным ротором.
Устройство статора такого двигателя и обмотка его не отличаются от устройства статора двигателя с ко-роткозамкнутым ротором. Различие между двумя этими двигателями заключается в устройстве ротора. Электродвигатель с фазным ротором имеет ротор, на котором, как и на статоре, помещены три фазные обмотки, соединенные между собой звездой.
71. СИНХРОННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ
Синхронной машинойназывается машина, скорость вращения которой постоянна и определяется при заданной частоте переменного тока числом пар полюсов
p: v= 60
·н/p.По принципу обратимости, открытому Э.Х. Ленцем, синхронная машина может работать как генератором, так и двигателем.
В основе работы синхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. Так как принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле, или, наоборот, подвижное поле будет пересекать неподвижный проводник, то конструктивно синхронные генераторы могут быть изготовлены двух видов. В первом из них магнитные полюсы можно поместить на статоре и питать их обмотку постоянным током, а проводники расположить на роторе и снимать с них при помощи колец и щеток переменный ток.
Часто ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируются ЭДС, называют якорем. Следовательно, в первом типе генератора индуктор неподвижен, а якорь вращается.
Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины – чугунного или сварного из листовой стали кожуха. В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.
Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа:
1) явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами);
2) неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).
Явнополюсный ротор представляет собой стальную подковку. К ободу ротора прикрепляют полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальное напряжение возбудителей 60-350 В.
Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент остаточное поле магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную ЭДС. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается.
При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.
В основе работы синхронных генераторов лежит явление электромагнитной индукции. Так как принципиально безразлично, будет ли движущийся проводник пересекать неподвижное магнитное поле, или, наоборот, подвижное поле будет пересекать неподвижный проводник, то конструктивно синхронные генераторы могут быть изготовлены двух видов. В первом из них магнитные полюсы можно поместить на статоре и питать их обмотку постоянным током, а проводники расположить на роторе и снимать с них при помощи колец и щеток переменный ток.
Часто ту часть машины, которая создает магнитное поле, называют индуктором, а ту часть машины, где располагается обмотка, в которой индуктируются ЭДС, называют якорем. Следовательно, в первом типе генератора индуктор неподвижен, а якорь вращается.
Статор синхронного генератора, как и других машин переменного тока, состоит из сердечника, набранного из листов электротехнической стали, в пазах которого укладывается обмотка переменного тока, и станины – чугунного или сварного из листовой стали кожуха. В выштампованные на внутренней поверхности сердечника пазы укладывается обмотка статора. Изоляция обмотки выполняется особо тщательно, так как машине приходится работать обычно при высоких напряжениях. В качестве изоляции применяют миканит и миканитовую ленту.
Роторы синхронных машин по конструкции делятся на два типа:
1) явнополюсные (т. е. с явно выраженными полюсами);
2) неявнополюсные (т. е. с неявно выраженными полюсами).
Явнополюсный ротор представляет собой стальную подковку. К ободу ротора прикрепляют полюсы, на которые надеваются катушки возбуждения, соединяемые последовательно между собой. Концы обмотки возбуждения присоединяются к двум кольцам, укрепленным на валу ротора. На кольца накладываются щетки, к которым присоединяется источник постоянного напряжения. Обычно постоянный ток для возбуждения ротора дает генератор постоянного тока, сидящий на одном валу с ротором и называемый возбудителем. Мощность возбудителя равна 0,25-1% от номинальной мощности синхронного генератора. Номинальное напряжение возбудителей 60-350 В.
Имеются также синхронные генераторы с самовозбуждением. Постоянный ток для возбуждения ротора получается с помощью селеновых выпрямителей, подключаемых к обмотке статора генератора. В первый момент остаточное поле магнетизма вращающегося ротора индуктирует в обмотке статора незначительную переменную ЭДС. Селеновые выпрямители, подключенные к переменному напряжению, дают постоянный ток, который усиливает поле ротора, и напряжение генератора увеличивается.
При конструировании электрических машин и трансформаторов большое внимание конструкторы обращают на вентиляцию машин. Для синхронных генераторов применяется воздушное и водородное охлаждение.
72. УСТРОЙСТВО ГЕНЕРАТОРА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Генератор постоянного тока представляет собой электрическую машину, преобразующую механическую энергию вращающего ее первичного двигателя в электрическую энергию постоянного тока, которую машина отдает потребителям. Генератор постоянного тока работает на принципе
электромагнитной индукции.Поэтому основными частями генератора являются якорь с расположенной на нем обмоткой и электромагниты, создающее магнитное поле.
Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, штампованные по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуют пазы, кудаукладываются изолированные проводники обмотки якоря.
На валу якоря укрепляется коллектор, состоящий из отдельных медных пластин, припаянных копределенным местам обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитом. Коллектор служит для выпрямления тока и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть.
Электромагниты генератора постоянного тока состоят из стальных полюсных сердечников, привернутых болтами к станине. Станина генератора отливается из стали. У машин очень малой мощности станина отливается вместе с полюсными сердечниками. В остальных случаях сердечники полюсов набираются из отдельных листов электротехнической стали. На сердечники надеваются катушки, изготовленные из медной изолированной проволоки. Пропущенный через обмотку возбуждения постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре к ярму прикрепляют полюсы с наконечниками, собран- iные из отдельных стальных листов.
При вращении якоря в магнитном поле плюсов в проводнике его обмотки индуктируются ЭДС, переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток. На этом основано действие генераторов переменного тока.
Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная ЭДС. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток).
Нейтральной линией, или геометрической нейтралью, называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная сторона витка в этом положении скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому ЭДС в витке не наводится и ток в цепи равен нулю. Ширина щетки больше ширины коллекторного деления, образованного пластиной и изолирующим промежутком, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетки накоротко.
Для генераторов, работающих с резко изменяющейся нагрузкой (подъемные краны, прокатные станы), применяют иногда компенсационную обмотку, закладываемую в пазы, специально сделанные в полюсных наконечниках. Направление тока компенсационной обмотки должно быть противоположно току в проводниках обмотки якоря. На дуге, охватываемой полюсным наконечником, магнитное поле компенсационной обмотки будет уравновешивать поле реакции якоря, не допуская искажения поля машины. Компенсационная обмотка, так же как обмотка дополнительных полюсов, включается последовательно с обмоткой якоря.
Якорь имеет форму цилиндра и набирается из отдельных штампованных листов электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга слоем лака или тонкой бумаги. Впадины, штампованные по окружности каждого листа, при сборке якоря и сжатии листов образуют пазы, кудаукладываются изолированные проводники обмотки якоря.
На валу якоря укрепляется коллектор, состоящий из отдельных медных пластин, припаянных копределенным местам обмотки якоря. Пластины коллектора изолированы друг от друга миканитом. Коллектор служит для выпрямления тока и отвода его при помощи неподвижных щеток во внешнюю сеть.
Электромагниты генератора постоянного тока состоят из стальных полюсных сердечников, привернутых болтами к станине. Станина генератора отливается из стали. У машин очень малой мощности станина отливается вместе с полюсными сердечниками. В остальных случаях сердечники полюсов набираются из отдельных листов электротехнической стали. На сердечники надеваются катушки, изготовленные из медной изолированной проволоки. Пропущенный через обмотку возбуждения постоянный ток создает магнитный поток полюсов. Для лучшего распределения магнитного потока в воздушном зазоре к ярму прикрепляют полюсы с наконечниками, собран- iные из отдельных стальных листов.
При вращении якоря в магнитном поле плюсов в проводнике его обмотки индуктируются ЭДС, переменная по величине и направлению. Если концы одного витка припаять к двум медным кольцам, на кольца наложить щетки, соединенные с внешней сетью, то при вращении витка в магнитном поле в замкнутой цепи потечет переменный электрический ток. На этом основано действие генераторов переменного тока.
Если же концы витка присоединить к двум медным полукольцам, изолированным друг от друга и называемым пластинами коллектора, и наложить на них щетки, то при вращении витка в магнитном поле в витке будет по-прежнему индуктироваться переменная ЭДС. Однако во внешней цепи будет протекать изменяющийся по величине ток постоянного направления (пульсирующий ток).
Нейтральной линией, или геометрической нейтралью, называется линия, проходящая через центр якоря и перпендикулярная оси полюсов. Активная сторона витка в этом положении скользит вдоль магнитных линий, не пересекая их. Поэтому ЭДС в витке не наводится и ток в цепи равен нулю. Ширина щетки больше ширины коллекторного деления, образованного пластиной и изолирующим промежутком, и виток, находясь на нейтральной линии, замыкается в этот момент щетки накоротко.
Для генераторов, работающих с резко изменяющейся нагрузкой (подъемные краны, прокатные станы), применяют иногда компенсационную обмотку, закладываемую в пазы, специально сделанные в полюсных наконечниках. Направление тока компенсационной обмотки должно быть противоположно току в проводниках обмотки якоря. На дуге, охватываемой полюсным наконечником, магнитное поле компенсационной обмотки будет уравновешивать поле реакции якоря, не допуская искажения поля машины. Компенсационная обмотка, так же как обмотка дополнительных полюсов, включается последовательно с обмоткой якоря.
73. ТИПЫ ГЕНЕРАТОРОВ ПОСТОЯННОГО ТОКА
В зависимости от способа создания магнитного поля генераторы постоянного тока делятся на три группы:
1) генераторы с постоянными магнитами, или магнитоэлектрические;
2) генераторы с независимым возбуждением;
3) генераторы с самовозбуждением. Магнитоэлектрические генераторы состоят из одного или нескольких постоянных магнитов, в поле которых вращается якорь с обмоткой. Ввиду очень малой вырабатываемой мощности генераторы этого типа для промышленных целей не применяются.
У генератора с независимым возбуждением обмотки полюсов питаются от постороннего, независимого от генератора, источника постоянного напряжения (генератора постоянного тока, выпрямителя и др.).
Питание обмотки возбуждения полюсов генератора с самовозбуждением осуществляется со щеток якоря самой машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем. При отсутствии тока в обмотке возбуждения якорь генератора вращается в слабом магнитном поле остаточного магнетизма полюсов. Независимая ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря в этот момент, посылает слабый ток в обмотку полюсов. Магнитное поле полюсов увеличивается, отчего ЭДС в проводниках якоря также увеличивается, что, в свою очередь, вызовет увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока в обмотке возбуждения не установится ток, соответствующий величине сопротивления цепи возбуждения. Самовозбуждение машины может произойти лишь в том случае, если ток, протекающий по обмотке полюсов, будет создавать магнитное поле, усиливающее поле остаточного магнетизма, и если, кроме того, сопротивление цепи возбуждения не превышает некоторой определенной величины.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря делятся на три типа.
1. Генератор с параллельным возбуждением (шунто-вой), у которого обмотка возбуждения полюсов включена параллельно обмотке якоря.
2. Генератор с последовательным возбуждением (се-риесный), у которого обмотка возбуждения полюсов включена последовательно с обмоткой якоря.
3. Генератор со смешанным возбуждением (компаунд-ный), у которого на полюсах имеются две обмотки: одна – включенная параллельно обмотке якоря, и другая – включенная последовательно с обмоткой якоря. Напряжение генератора с независимым возбуждением изменяется с нагрузкой от двух причин:
1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) действие реакции якоря, приводящее к уменьшению магнитного потока и ЭДС машины. У генератора с параллельным возбуждением напряжение с нагрузкой меняется от трех причин: 1)вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) вследствие уменьшения магнитного потока, вызванного действием реакции якоря;
3) под действием первых двух причин напряжение генератора (или напряжение щеток якоря) с нагрузкой уменьшается.
Генератор с последовательным возбуждением отличается от генератора с параллельным возбуждением, так как у первого с увеличением нагрузки напряжение увеличивается, а у второго – уменьшается.
Генератор со смешанным возбуждением объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением.
1) генераторы с постоянными магнитами, или магнитоэлектрические;
2) генераторы с независимым возбуждением;
3) генераторы с самовозбуждением. Магнитоэлектрические генераторы состоят из одного или нескольких постоянных магнитов, в поле которых вращается якорь с обмоткой. Ввиду очень малой вырабатываемой мощности генераторы этого типа для промышленных целей не применяются.
У генератора с независимым возбуждением обмотки полюсов питаются от постороннего, независимого от генератора, источника постоянного напряжения (генератора постоянного тока, выпрямителя и др.).
Питание обмотки возбуждения полюсов генератора с самовозбуждением осуществляется со щеток якоря самой машины. Принцип самовозбуждения заключается в следующем. При отсутствии тока в обмотке возбуждения якорь генератора вращается в слабом магнитном поле остаточного магнетизма полюсов. Независимая ЭДС, индуктируемая в обмотке якоря в этот момент, посылает слабый ток в обмотку полюсов. Магнитное поле полюсов увеличивается, отчего ЭДС в проводниках якоря также увеличивается, что, в свою очередь, вызовет увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока в обмотке возбуждения не установится ток, соответствующий величине сопротивления цепи возбуждения. Самовозбуждение машины может произойти лишь в том случае, если ток, протекающий по обмотке полюсов, будет создавать магнитное поле, усиливающее поле остаточного магнетизма, и если, кроме того, сопротивление цепи возбуждения не превышает некоторой определенной величины.
Генераторы с самовозбуждением в зависимости от способа соединения обмотки возбуждения с обмоткой якоря делятся на три типа.
1. Генератор с параллельным возбуждением (шунто-вой), у которого обмотка возбуждения полюсов включена параллельно обмотке якоря.
2. Генератор с последовательным возбуждением (се-риесный), у которого обмотка возбуждения полюсов включена последовательно с обмоткой якоря.
3. Генератор со смешанным возбуждением (компаунд-ный), у которого на полюсах имеются две обмотки: одна – включенная параллельно обмотке якоря, и другая – включенная последовательно с обмоткой якоря. Напряжение генератора с независимым возбуждением изменяется с нагрузкой от двух причин:
1) вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) действие реакции якоря, приводящее к уменьшению магнитного потока и ЭДС машины. У генератора с параллельным возбуждением напряжение с нагрузкой меняется от трех причин: 1)вследствие падения напряжения в обмотке якоря и переходном контакте щеток;
2) вследствие уменьшения магнитного потока, вызванного действием реакции якоря;
3) под действием первых двух причин напряжение генератора (или напряжение щеток якоря) с нагрузкой уменьшается.
Генератор с последовательным возбуждением отличается от генератора с параллельным возбуждением, так как у первого с увеличением нагрузки напряжение увеличивается, а у второго – уменьшается.
Генератор со смешанным возбуждением объединяет в себе свойства генераторов с параллельным и последовательным возбуждением.
74. ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ
Если машину постоянного тока подключить к источнику напряжения, то она станет работать электрическим двигателем, т. е. превращать электрическую энергию в энергию механическую. Это свойство электрических машин работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя называется
обратимостью.
Электрический двигатель был изобретен в 1834 г. русским академик Б.С. Якоби.
Устройство электрических двигателей такое же, как генераторов. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов. Мощность, потребляемая двигателем из сети, больше мощности на валу на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, потерь мощности на нагрев обмоток двигателя и реостатов. КПД электрического двигателя с нагрузкой меняется. При номинальной мощности величина КПД двигателей колеблется от 70 до 93 % в зависимости от мощности, скорости вращения и исполнения двигателей.
В зависимости от соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения электрические двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Проводники обмотки якоря, по которым проходит ток, находясь в магнитном поле, созданном полюсами, испытывают силу, под действием которой они выталкиваются из магнитного поля. Для того чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону, необходимо, чтобы направление тока в проводнике изменялось на обратное, как только проводник выйдет из зоны действия одного полюса, пересечет нейтральную линию и войдет в зону действия соседнего, разноименного полюса. Для направления тока в проводниках обмотки якоря двигателя в момент, когда проводники проходят нейтральную линию, служит коллектор.
В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена параллельно в сеть и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжения сети магнитный поток двигателя должен быть постоянным. С увеличением нагрузки двигателя реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению скорости. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было почти компенсировано реакцией якоря. Характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является почти постоянная скорость вращения при изменении нагрузки на его валу.
У двигателей с последовательным возбуждением обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаков. При малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря.
В электродвигателе со смешанным возбуждением наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и смешанного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости и большой вращающий момент при пуске двигателя. Регулировка скорости двигателя со смешанным возбуждением выполняется регулировочным реостатом, включенным в цепь параллельной обмотки возбуждения.
Электрический двигатель был изобретен в 1834 г. русским академик Б.С. Якоби.
Устройство электрических двигателей такое же, как генераторов. Принцип действия электрических двигателей постоянного тока основан на взаимодействии тока, протекающего в обмотке якоря, и магнитного поля, создаваемого полюсами электромагнитов. Мощность, потребляемая двигателем из сети, больше мощности на валу на величину потерь на трение в подшипниках, щеток о коллектор, якоря о воздух, потерь в стали на гистерезис и вихревые токи, потерь мощности на нагрев обмоток двигателя и реостатов. КПД электрического двигателя с нагрузкой меняется. При номинальной мощности величина КПД двигателей колеблется от 70 до 93 % в зависимости от мощности, скорости вращения и исполнения двигателей.
В зависимости от соединения обмотки якоря и обмотки возбуждения электрические двигатели постоянного тока делятся на двигатели с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением.
Проводники обмотки якоря, по которым проходит ток, находясь в магнитном поле, созданном полюсами, испытывают силу, под действием которой они выталкиваются из магнитного поля. Для того чтобы якорь двигателя вращался в какую-либо определенную сторону, необходимо, чтобы направление тока в проводнике изменялось на обратное, как только проводник выйдет из зоны действия одного полюса, пересечет нейтральную линию и войдет в зону действия соседнего, разноименного полюса. Для направления тока в проводниках обмотки якоря двигателя в момент, когда проводники проходят нейтральную линию, служит коллектор.
В электродвигателе с параллельным возбуждением обмотка возбуждения включена параллельно в сеть и при постоянном сопротивлении цепи возбуждения и напряжения сети магнитный поток двигателя должен быть постоянным. С увеличением нагрузки двигателя реакция якоря ослабляет магнитный поток, что приводит к некоторому увеличению скорости. На практике падение напряжения в обмотке якоря подбирают таким, чтобы его влияние на скорость двигателя было почти компенсировано реакцией якоря. Характерным свойством двигателя с параллельным возбуждением является почти постоянная скорость вращения при изменении нагрузки на его валу.
У двигателей с последовательным возбуждением обмотки якоря и возбуждения соединены последовательно. Поэтому ток, протекающий по обеим обмоткам двигателя, будет одинаков. При малых насыщениях стали магнитопровода двигателя магнитный поток пропорционален току якоря.
В электродвигателе со смешанным возбуждением наличие на полюсах двигателя двух обмоток позволяет использовать преимущества двигателей параллельного и смешанного возбуждения. Этими преимуществами являются постоянство скорости и большой вращающий момент при пуске двигателя. Регулировка скорости двигателя со смешанным возбуждением выполняется регулировочным реостатом, включенным в цепь параллельной обмотки возбуждения.