Лекция №9. Электромеханические свойства машин постоянного и переменного тока. Режимы преобразования энергии

Цель лекции:

- ознакомить студентов сэлементами конструкции трансформаторов;

- с режимом холостого хода.

Содержание лекции:

- общие сведения о трансформаторах;

- назначение трансформаторов;

- элементы конструкции трансформаторов;

- режим холостого хода..

Электрические машины по роду питания делятся на машины переменного и постоянного тока. Машины постоянного тока подключаются к сети постоянного тока. В автономных системах машина постоянного тока является источником постоянного тока в генера­торном режиме, а в режиме двигателя потребляет энергию от источника по­стоянного тока.

Из модели обобщенной электричес­кой машины машину постоянного тока можно получить, если якорь с двухфазной обмоткой подключить через преобразователь частоты, а обмотку возбуждения - непосредственно к сети постоянного тока. Как и во всех электрических машинах, в машинах постоянного тока поле якоря и поле статора поле возбуждения) неподвижны относительно друг друга.

В машинах постоянного тока преобразование постоянного тока в многофазный переменный ток осуществляется механическим преобразователем частоты - коллектором. Собственно к машинам постоянного тока и относятся коллекторные машины постоянного тока. Машины, в которых преобразование частоты осуществляется полупроводниковыми преобразователями, называют вентильными машинами или машинами с полупроводниковыми коммутаторами; они имеют еще ряд на­званий.

Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока начнем рассматривать со схемы машины с то­роидальной граммовской обмоткой (см. рисунок 9.1). В этой машине каждый ви­ток обмотки якоря присоединен к кол­лекторной пластине. Коллекторные пластины осуществляют последова­тельное соединение витков обмотки якоря.

В машине постоянного тока число секций обмотки якоря равно числу коллекторных пластин.

Рисунок 9.1 - Машина постоянного тока с торои­дальной обмоткой якоря

Секция состоит из одного или нескольких витков, соединенных последовательно.

Коллекторные пластины изолиро­ваны друг от друга и образуют ци­линдр, по которому при вращении ма­шины скользят щетки. К неподвиж­ным щеткам подводится постоянное напряжение. Щетки и цилиндр из кол­лекторных пластин образуют коллекторно-щеточный узел. Секции обмотки выводятся на коллекторные пластины для обеспечения надежной работы ма­шины. Принципиально щетки могут скользить непосредственно по провод­никам обмотки. Без цилиндра, состоя­щего из коллекторных пластин, изо­лированных друг от друга, и были вы­полнены первые машины в конце прошлого века. Обычно, когда говорят о коллекторе, имеют в виду также и узлы, обеспечивающие необходимые для удовлетворительной коммутации механические и электрические свой­ства.

Ток в обмотке якоря машины де­лится на две параллельные ветви, чис­ло параллельных ветвей обмотки а равно числу пар полюсов р. Число па­раллельных ветвей обмотки 2а=2р.

При вращении якоря машины сек­ции (витки) обмотки переходят из од­ной параллельной ветви в другую. При этом в них изменяется направле­ние тока. Процесс перехода секции из одной параллельной ветви в другую называется коммутацией. При комму­тации изменяется ток в коммутируе­мых секциях, а ток в параллельных ветвях и поле якоря, создаваемое то­ками якоря, практически не изменяют­ся. Амплитуда пульсаций тока в па­раллельных ветвях зависит от числа секций обмотки якоря, включенных по­следовательно и составляющих парал­лельные ветви обмотки якоря, и числа секций, находящихся в коммутации.

Эквивалентной схемой с полупро­водниковым коммутатором, заменяю­щей принципиальную схему машины постоянного тока (см. рисунок 9.1), является схема машины, показанная на рисунке 9.2. В этой схеме секции обмотки якоря присоединены к преобразователю частоты ПЧ, преобразующему постоян­ный ток в многофазный переменный.

Обращаясь к рисунку 9.2, можно счи­тать, что число фаз т в машине по­стоянного тока равно числу секций обмотки якоря. Как видно из приведен­ной на рисунке 9.2 обмотки машины по­стоянного тока, фаза — это угол между напряжениями в многофазной систе­ме напряжений или угол между со­седними секциями. Максимальное чис­ло, векторов напряжений в обмотке якоря машины постоянного тока опре­деляется числом секций обмотки или числом коллекторных пластин (см. рисунок 9.1).

Рисунок 9.2 -Машины постоянного тока с полу­проводниковым коммутатором

Рисунок 9.3 -Изменение тока и напряжения в сек­ции обмотки якоря

Как и вмашинах переменного тока, частота тока в секциях обмотки якоря определяется числом пар полюсов и частотой вращения f=pn/60.

Если вмногофазной машине пере­менного тока ток в фазе, как правило, изменяется по синусоидальному зако­ну, то в машине постоянного тока из­менение тока и напряжения в секции (фазе) близко к прямоугольному (см. рисунок 9.3). Время коммутации Т_к со­ставляет милли - и микросекунды, а один оборот якорь совершает за доли секунды, поэтому частота напряжения в секциях десятки или сотни герц. Трапецеидальную кривую напряжения в фазе машины постоянного тока мож­но разложить в гармонический ряд и выделить 1-ю гармонику.

Переменные токи в многофазной обмотке якоря создают вращающееся поле, которое неподвижно относительно обмотки возбуждения, так как час­тота вращения поля якоря относитель­но якоря равна частоте вращения яко­ря (ω_с = ω_р). Многофазная обмотка якоря машины постоянного тока мо­жет быть приведена к двухфазной.

Как правило, щетки в машинах по­стоянного тока устанавливаются на геометрической нейтрали - линии, перпендикулярной оси полюсов (см. рисунок 9.1), поэтому поле якоря пер­пендикулярно силовым линиям поля возбуждения. В первом приближении можно считать, что вмашинах посто­янного тока при нагрузке имеет место продольно-поперечное намагничивание и поле якоря не влияет на поле воз­буждения, т. е. поле в машине посто­янного тока при нагрузке искажается, а поток остается таким же, как и при холостом ходе, когда ток в якоре ра­вен нулю. Процессы преобразования энергии в машинах постоянного тока ближе всего к процессам преобразова­ния энергии в синхронных машинах при чисто активной нагрузке.

Как и все электрические машины, машины постоянного тока обратимы, т. е. они могут работать в генератор­ном и двигательном режимах.

Двигатели постоянного тока обес­печивают большие пределы регулиро­вания частоты вращения при высоких энергетических показателях и механи­ческих характеристиках, удовлетворя­ющих требованиям большинства механизмов. Двигатели постоянного тока используются на транспорте (электро­возы, тепловозы, трамвай, троллейбус, мотор - колеса), в станках, прокатных станах, кранах, судовых установках и др. Двигатели постоянного тока ши­роко применяются также в авиации, автомобилях, тракторах и космической технике. Они могут получать питание от аккумуляторных батарей и солнеч­ных элементов. Многие автономные энергетические системы - системы по­стоянного тока, и двигатели постоян­ного тока в них находят все большее применение.

Генераторы постоянного тока при­меняются для питания электролизных и гальванических установок и питания обмоток возбуждения синхронных ма­шин. Во многих автономных установ­ках генераторы постоянного тока вырабатывают большую часть мощности, необходимую для обеспечения электро - движения судов, тепловозов и других передвижных установок. Широко распространены генераторы со специ­альными характеристиками, необходи­мыми для сварки, освещения поездов, привода экскаваторов, получения мощных импульсов и других примене­ний. Постоянное напряжение можно получить, используя синхронный гене­ратор, работающий на выпрямители. Такие системы не имеют коллектора и широко применяются в автономных энергосистемах.

Несмотря на усилия больших кол­лективов, направленные на создание преобразователей частоты на полупро­водниковых приборах, электроприводы с такими преобразователями и асин­хронными или синхронными двигате­лями в 1,5-2,5 раза тяжелее и дороже электроприводов с двигателями посто­янного тока. В истории электромаши­ностроения было несколько периодов, когда считали, что машины постоян­ного тока должны будут уступить свое место машинам переменного тока. Од­нако, этого не произошло - выпуск ма­шин постоянного тока неизменно уве­личивается и они находят все новые области применения. Машины посто­янного тока в будущем будут широко применяться, и изучение теории и практики их применения имеет важное значение.