Електричні машини постійного струму

Електричні машини постійного струму

1. Побудова та принцип дії машинного генератора

Електрична машина, у якій механічна енергія обертового вала перетворюється в електричну енергію, називається генератором. Робота генератора заснована на явищі електромагнетизму та явищі електромагнітної індукції.

Явище електромагнетизму полягає в тому, що навколо провідника зі струмом утворюється магнітне поле. Закон електромагнетизму: потокозчеплення (добуток кількості витків котушки на пронизуючий їх магнітний потік) прямо пропорційно індуктивності котушки та силі струму, який протікає в котушці:

0 = wФ = LI. (6.1)

Явище електромагнітної індукції полягає в тому, що в провідному контурі, який пронизується змінним магнітним полем, наводиться е.р.с. Закон електромагнітної індукції: значення е.р.с., яка наводиться у контурі, прямо пропорційно кількості витків та швидкості зміни магнітного потоку, який пронизує контур:

. (6.2)

Елементами конструкції найпростішого генератора є виток (провідний контур) та індуктор, який створює магнітне поле. Розглянемо принцип дії генератора постійного струму на його конструктивній схемі (рис. 6.1). У магнітному полі постійних магнітів (N — S) поміщений виток, укріплений на вісі. До двох кінців витка прикріплені металеві півкола, на які накладаються щітки (ковзні контакти, до яких підключається навантаження R_{нав). При обертанні даного витка з кутовою швидкістю виникає явище електромагнітної індукції й у ньому наводиться е.р.с. При підключенні до нього навантаження у витку буде протікати електричний струм I.}

Напрям електрорушійної сили, що наводиться, визначається за правилом «правої руки»: якщо розташувати праву руку так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а великий відігнутий палець збігався з напрямом руху витка, то чотири пальці будуть вказувати напрям електрорушійної сили, яка наводиться у витку. Значення електрорушійної сили, яка наводиться в сторонах витка, дорівнює:

е = Вlv sin, (6.3)

де е — миттєве значення е.р.с., яка наводиться в сторонах витка, В;

В — магнітна індукція поля, Тл;

l — довжина однієї сторони витка, м;

v — лінійна швидкість витка, м/с;

— кут повороту витка щодо горизонталі, град.

Електрорушійна сила, яка наводиться у витку, змінюється в часі за синусоїдним законом та створює різницю потенціалів на кінцях витка. Знаки потенціалів на кінцях витка (позитивний, негативний) через півоберти теж зміняться, тому що зміниться напрям е.р.с., яка наводиться в сторонах витка. Однак знаки потенціалів щіток змінюватися не будуть. Це пояснюється тим, що при обертанні витка вони нерухомі та завжди підключені до сторони витка, на кінці якої потенціал однакового знака (тобто е.р.с. у стороні витка спрямована в той самий бік). Завдяки ковзному контакту на одній щітці утворюється позитивний потенціал, а на іншій — негативний. Щітки кріпляться в щіткотримачі, який встановлений на корпусі генератора. До щіток генератора підключається приймач електроенергії.

Таким чином, конструкція генератора наступна: індуктор (нерухома частина), який створює магнітне поле та якір (обертаюча частина), у якому наводиться е.р.с. Вони відділені один від одного мінімальним повітряним зазором.

Індуктор являє собою котушку індуктивності, укріплену на полюсах генератора. Затиски обмотки збудження (котушки індуктивності на індукторі) виводять на клемну коробку і позначають буквами Ш1 і Ш2. Полюси генератора виготовляють з феромагнітного матеріалу та кріплять до чавунного корпусу (який має вигляд кола) за допомогою болтів та ізолюючих прокладок. До них кріплять полюсні наконечники у вигляді півкіл для поліпшення розподілу магнітного потоку в повітряному зазорі генератора.

Якір генератора має форму циліндра, який розташований на валу. Його магнітопровід виконують з феромагнітного матеріалу та укріплюють на валу генератора. На вал генератора встановлюють підшипники, які запресовують у підшипникові щити. Ці підшипникові щити, які служать опорою для вала генератора, кріплять до корпуса генератора. Якірна обмотка, яку укладають у пази магнітопроводу якоря генератора, складається з декількох витків, кожний з яких кріплять до окремої колекторної пластини. Колекторні пластини ізольовані одна від одної та від вала генератора. На колекторні пластини накладають щітки, затиски яких виводять на клемну коробку і позначають буквами Я1 і Я2. Сукупність таких колекторних пластин, які дозволяють при наявності змінної е.р.с. у якірній обмотці отримувати постійну полярність щіток, називають колектором. Напруга з колектора знімається за допомогою щіткового механізму. Отже, призначення колектора і щіткового механізму в генератора — це спрямлення електрорушійної сили (тобто перетворення змінної е.р.с. у постійну е.р.с.).

Спрямлена електрорушійна сила є пульсуючою, тобто змінюється за подвоєним синусоїдним законом при збереженні знака (рис. 6.2а). Зі збільшенням кількості колекторних пластин пульсація е.р.с. зменшується (рис. 6.2б: е_рез — результуюча е.р.с. між щітками; е₁ — е.р.с., яка наводиться в першому витку обмотки якоря; е₂ — е.р.с., яка наводиться в другому витку обмотки якоря):

. (6.4)

Середнє значення цієї спрямленої електрорушійної сили, яка діє між щітками, визначається наступним виразом:

(6.5)

де k — коефіцієнт;

Ф — магнітний потік полюсів генератора, Вб;

— кутова швидкість обертання вала генератора, рад/с.

Обмотка збудження та обмотка якоря можуть включатися незалежно одна від одної, тоді в генератора буде незалежне збудження (затиски Н1 і Н2 підключають до стороннього джерела постійної е.р.с., а до затисків Я1 і Я2 підключають навантаження).

У генератора буде самозбудження, якщо різниця потенціалів на затисках обмотки збудження створюється е.р.с., яка наводиться в обмотці якоря. У цьому випадку при підключенні обмотки збудження паралельно обмотці якоря в генератора буде паралельне збудження (Ш1 до Я1, Ш2 до Я2, при цьому до затисків Я1 та Я2 підключають навантаження).

2. Фізичні явища і процеси в елементах конструкції генератора

При обертанні якоря в магнітному полі індуктора (тобто при роботі генератора) в елементах конструкції генератора спостерігаються наступні фізичні явища і процеси.

В індукторі:

явище електричного струму в обмотці збудження;

явище електромагнетизму в обмотці збудження;

явище теплової дії струму в обмотці збудження;

процес нагрівання обмотки збудження.

В якорі:

явище електромагнітної індукції в обмотці якоря;

явище електричного струму в обмотці якоря;

явище електромагнітної сили від дії струму в обмотці якоря;

явище електромагнетизму в обмотці якоря;

явище теплової дії струму в обмотці якоря;

процес нагрівання обмотки якоря;

явище електромагнітної індукції в магнітопроводі якоря;

явище вихрових струмів у магнітопроводі якоря;

явище електромагнітної сили від дії вихрових струмів;

явище теплової дії вихрових струмів у магнітопроводі якоря;

явище гістерезису магнітопроводу якоря;

явище теплової дії гістерезису магнітопроводу якоря;

явище тертя в підшипниках;

явище тертя між колектором та щітками;

явище тертя якоря об повітря;

процес нагрівання магнітопроводу якоря.

3. Енергетична діаграма генератора

Енергетична діаграма генератора — це зображення перетворення в ньому енергії. При роботі генератора, як показано вище, частина споживаної ним енергії втрачається марно та розсіюється у вигляді теплоти. Втрачену енергію в одиницю часу називають втратами потужності (або втратами). У генераторі є три шляхи втрат енергії: у механічній системі, в електричних колах, у магнітопроводі якоря.

Механічні втрати (Р_мх):

втрати на тертя в підшипниках (Р_підш);

втрати на тертя між щітками та колектором (Р_щіт);

втрати на вентиляцію (Р_вент).

Р_{мх = Рпідш + Рщіт + Рвент. (6.6)}

Електричні втрати (Р_ел):

втрати в провідниках обмотки збудження в результаті теплової дії струму, який протікає в ній (Р_з);

втрати в провідниках обмотки якоря в результаті теплової дії струму, який протікає в ній (Р_я);

втрати в щітках та колекторі в результаті теплової дії струму, який протікає в них (Р_щ).

Р_{ел = Рз + Ря + Рщ = RзI²з + RяI²я + RщI²в, (6.7)}

де R_з — опір обмотки збудження, Ом;

I_з — сила струму в обмотці збудження, А;

R_я — опір обмотки якоря, Ом;

I_я — сила струму в обмотці якоря, А;

R_щ — опір щіткових контактів, В.

Втрати в магнітопроводі (Р_мг):

втрати в магнітопроводі якоря в результаті теплової дії вихрових струмів, які протікають у ньому (Р_вх.я);

втрати в магнітопроводі якоря в результаті теплової дії гістерезису (Р_гс.я).

Р_{мг = Рвх.я + Ргс.я. (6.8)}

Додаткові втрати (Р_д) виникають у генераторі в результаті інших не врахованих явищ.

Отже, сумарні втрати (Р) при роботі генератора дорівнюють:

Р = Р_мх + Р_ел + Р_мг + Р_д. (6.9)

Механічна потужність на валу генератора дорівнює:

Р_мх = М, (6.10)

де М — механічний момент на валу генератора, Нм;

— кутова швидкість обертання вала генератора, рад/с.

Електрична потужність, яка віддається генератором навантаженню, дорівнює:

Р_ел = R_навI², (6.11)

де R_нав — еквівалентний опір навантаження, Ом;

I — сила струму, споживаного навантаженням, А.

В іншому вигляді:

Р_ел = Р_мх — Р. (6.12)

Коефіцієнт корисної дії генератора дорівнює:

. (6.13)

4. Розрахункова схема генератора

Відповідно до фізичних явищ і процесів у колі збудження та у колі якоря розрахункова схема генератора із самозбудженням (з паралельним збудженням) має такий вигляд (рис. 6.4).

На розрахунковій схемі (рис. 6.4) приведені наступні позначення:

R_з — опір кола обмотки збудження, Ом;

L_з — індуктивність обмотки збудження, Гн;

I_з — сила струму в обмотці збудження, А;

Е — е.р.с., яка наводиться в обмотці якоря, В;

R_я — опір обмотки якоря, Ом;

L_я — індуктивність обмотки якоря, Гн;

I_я — сила струму в обмотці якоря, А;

I — сила струму навантаження, А;

U — напруга на затисках генератора, В.

5. Зовнішня характеристика генератора

Дана характеристика показує, як змінюється напруга на затисках генератора при зміні сили струму навантаження, тобто зовнішня характеристика генератора — це залежність напруги на затисках (на щітках) генератора від сили струму, який протікає в обмотці якоря. Одержимо рівняння цієї характеристики на підставі розрахункової схеми генератора (рис. 6.4), для чого складемо рівняння електричної рівноваги якірного кола та виразимо потенціал точки Я1 (_Я1) через потенціал точки Я2 (_Я2):

_Я1 = _Я2 — R_яI_я + Е. (6.14)

Реактивний опір обмотки якоря дорівнює нулю (Х_я = 0), тому що струм постійний.

Перепишемо (6.14) у наступному вигляді:

_Я1 — _Я2 = Е — R_яI_я. (6.15)

З огляду на те, що _Я1 — _Я2 = U, одержимо наступне:

U = Е — R_яI_я. (6.16)

Отримане рівняння (6.16) являє собою рівняння зовнішньої характеристики генератора.

У свою чергу

Е = kФ. (6.17)

Крім того, на підставі (6.1) можемо записати:

(6.18)

де w_з — кількість витків обмотки збудження.

Графічно зовнішня характеристика генератора (тобто залежність U = f (I_я)) виглядає так, як показано на рис. 6.5.

Пунктирною лінією на рис. 6.5 показана зовнішня характеристика ідеального генератора, у якого R_я = 0.

6. Регулювання напруги генератора

Напруга на затисках генератора, як видно з (6.16), залежить від значення е.р.с., яка наводиться в якорі, та сили струму в обмотці якоря (сили струму навантаження). Е.р.с., яка наводиться в якорі, як видно з (6.17), залежить від значення магнітного потоку і швидкості обертання якоря. Магнітний потік, як видно з (6.18), залежить від сили струму в обмотці збудження. Отже, регулювати напругу на затисках генератора можна наступним чином:

зміною сили струму в обмотці збудження (для цього використовують реостат, включений послідовно з обмоткою збудження);

зміною швидкості обертання якоря (для цього використовують приводний агрегат).

7. Принципова електрична схема керування генератором

Відповідно до викладеного вище, складаємо принципову електричну схему керування генератором (рис. 6.6).

На даній схемі (рис. 6.6) приведені наступні позначення:

РЗ — регулювальний реостат у колі збудження;

ОЗ — обмотка збудження;

Ш1, Ш2 — затиски обмотки збудження;

Я1, Я2 — затиски обмотки якоря;

Я — якір генератора;

— кутова швидкість обертання вала генератора;

РA — амперметр, який вимірює силу струму навантаження;

РV — вольтметр, який вимірює напругу на затисках генератора;

РН — реостат, який моделює навантаження.

До генератора постійного струму незалежного збудження при незмінній кутовій швидкості підводиться механічна потужність, яка дорівнює 7,0 кВт. Генератор розвиває електрорушійну силу, яка дорівнює 300 В. Опір обмотки якоря генератора (включаючи опір щіток) дорівнює 1,5 Ом. Опір кола збудження генератора дорівнює 270 Ом. На затиски кола збудження подається напруга, яка дорівнює 270 В.

До генератора підключене навантаження опором 13,5 Ом за допомогою ідеальної лінії електропередачі. Втрати потужності в механічній системі генератора складають 1,5 % від потужності, яка підводиться до вала. Втрати потужності в магнітопроводі генератора складають 3,0 % від потужності, яка підводиться до вала. Додаткові втрати складають 0,1 % від потужності, яка підводиться до вала.

Скласти розрахункові схеми якірного кола з навантаженням і кола збудження.

Визначити: силу струму в якірному колі; потужність, яка розвивається генератором; втрати потужності в обмотці якоря; силу струму в колі збудження; втрати потужності в колі збудження; втрати потужності в механічній системі; втрати потужності в магнітопроводі; сумарні втрати потужності в генераторі; потужність, яка віддається генератором у мережу (потужність навантаження); електричний коефіцієнт корисної дії генератора; коефіцієнт корисної дії генератора як електромеханічного перетворювача; електроенергію, яку споживе навантаження за 100 год.

Побудувати в масштабі за допомогою двох точок зовнішню характеристику генератора.

Рішення.

1. Складаємо розрахункові схеми якірного кола і кола збудження:

2. Визначаємо силу струму в якірному колі:

.

3. Визначаємо потужність, яка розвивається генератором:

.

генератор електромагнітний індуктор колектор

4. Визначаємо втрати потужності в обмотці якоря:

.

5. Визначаємо силу струму в колі збудження:

.

6. Визначаємо втрати потужності в колі збудження:

.

7. Визначаємо втрати потужності в механічній системі:

.

8. Визначаємо втрати потужності в магнітопроводі:

.

9. Визначаємо додаткові втрати потужності в генераторі:

.

10. Визначаємо сумарні втрати потужності в генераторі:

.

11. Визначаємо потужність, яка віддається генератором у мережу (потужність навантаження):

.

12. Визначаємо електричний коефіцієнт корисної дії генератора:

.

13. Визначаємо коефіцієнт корисної дії генератора як електромеханічного перетворювача:

.

14. Визначаємо електроенергію, яку споживе навантаження за 100 год:

.

15. Розраховуємо та будуємо зовнішню характеристику генератора:

U = Е — R_яI_я = 300 — 1,5I_я.

8. Явище електромагнітної сили та закон Ампера

Електрична машина, у якій електрична енергія перетворюється в механічну енергію обертового вала, називається електродвигуном. Робота електродвигуна заснована на явищі електромагнітної сили.

Явище електромагнітної сили полягає в тому, що на провідник зі струмом, поміщений у магнітне поле, діє механічна сила, яка виштовхує провідник зі струмом з магнітного поля. Напрям дії цієї сили визначається за правилом «лівої руки»: якщо розташувати ліву руку так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири пальці показували напрям струму в провіднику, то великий відігнутий палець вкаже напрям механічної сили, яка діє на провідник зі струмом. Закон електромагнітної сили (закон Ампера): сила, яка діє на провідник зі струмом, поміщений у магнітне поле, прямо пропорційна магнітної індукції поля, силі струму в провіднику і його довжині:

F = ВIlsin, (6.19)

де F — сила, Н;

В — магнітна індукція поля, Тл;

l — довжина провідника, м;

— кут між напрямом струму в провіднику і

вектором магнітної індукції поля, град.

9. Побудова та принцип дії електродвигуна

Побудова електродвигуна постійного струму аналогічна побудові генератора постійного струму. Властивість електричних машин працювати як генератором, так і електродвигуном називається оборотністю. Відмінністю електродвигуна від генератора постійного струму є призначення колектора і щіткового механізму. В електродвигуна — це зміна напряму струму в провідниках обмотки якоря (тобто збереження напряму обертання якоря електродвигуна).

Принцип дії електродвигуна наступний: індуктор (обмотка збудження, розташована на полюсах) створює основне магнітне поле. До обмотки якоря підводиться постійна напруга й у ній протікає електричний струм. При протіканні струму в обмотці якоря спостерігається явище електромагнітної сили. Сили, які діють на провідники обмотки якоря, створюють обертаючий момент і двигун приходить в обертання (його якір). При обертанні якоря електродвигуна обмотка якоря перетинає магнітне поле, тобто провідний контур (обмотка якоря) пронизується змінним магнітним полем. Тому в ній виникає явище електромагнітної індукції та в обмотці якоря наводиться е.р.с., протилежна напряму струму (противо-е.р.с.).

10. Фізичні явища і процеси в елементах конструкції двигуна

У кожному з елементів конструкції електродвигуна протікають такі ж фізичні явища та процеси, як і в генераторі, за винятком явища електромагнітної сили, яка діє на провідник зі струмом та замість гальмівної стає рушійною.

11. Енергетична діаграма двигуна

Енергетична діаграма електродвигуна аналогічна енергетичній діаграмі генератора, яка представлена в зворотному порядку (рис. 6.7).

Обертаючий момент на валу двигуна (М) дорівнює моменту опору механічного навантаження (М_нав):

М = М_нав. (6.20)

Момент, який розвивається на валу електродвигуна, дорівнює:

М = kФI_я. (6.21)

Механічна потужність на валу електродвигуна дорівнює:

Р_мх = М, (6.22)

де — кутова швидкість обертання вала електродвигуна, рад/с.

Електрична потужність, споживана електродвигуном з мережі, дорівнює:

Р_ел = Р_мх + Р. (6.23)

Коефіцієнт корисної дії електродвигуна дорівнює:

. (6.24)

Приклад

Якір електродвигуна обертається зі швидкістю 1000 об/хв. До електродвигуна підведена напруга 200 В. Електродвигун споживає струм силою 5 А. Коефіцієнт корисної дії електродвигуна дорівнює 89 %.

Визначити потужність на валу та обертаючий момент електродвигуна.

Рішення.

1. Визначаємо потужність на валу електродвигуна:

.

2. Визначаємо кутову швидкість обертання вала електродвигуна:

.

3. Визначаємо обертаючий момент електродвигуна:

.

12. Розрахункова схема двигуна

Відповідно до фізичних явищ і процесів, які протікають в електродвигуні, його розрахункова схема має такий вигляд (рис. 6.8).

На розрахунковій схемі (рис. 6.8) приведені наступні позначення:

R_з — опір кола обмотки збудження, Ом;

L_з — індуктивність обмотки збудження, Гн;

I_з — сила струму в обмотці збудження, А;

Е — е.р.с., яка наводиться в обмотці якоря, В;

R_я — опір кола обмотки якоря, Ом;

L_я — індуктивність обмотки якоря, Гн;

I_я — сила струму в обмотці якоря, А;

U — напруга на затисках електродвигуна, В.

13. Швидкісна характеристика двигуна

Одержимо рівняння швидкісної характеристики на підставі розрахункової схеми електродвигуна (рис. 6.8), для чого складемо рівняння електричної рівноваги якірного кола та виразимо потенціал точки Я2 (_Я2) через потенціал точки Я1 (_Я1):

_Я2 = _Я1 — Е — R_яI_я. (6.25)

Перепишемо (6.25) у наступному вигляді:

Е = _Я1 — _Я2 — R_яI_я. (6.26)

З огляду на те, що _Я1 — _Я2 = U, одержимо наступне:

Е = U — R_яI_я. (6.27)

З урахуванням (6.4) одержимо:

kФ =U — R_яI_я. (6.28)

З (6.28) одержимо рівняння швидкісної характеристики електродвигуна — залежність кутової швидкості обертання якоря від сили струму в якірному колі, напруги на затисках електродвигуна і магнітного потоку:

. (6.29)

Графічно дана залежність (при U = const і Ф = const) виглядає наступним чином (рис. 6.9).

На рис. 6.9 ₀ — кутова швидкість обертання якоря при ідеальному холостому ході електродвигуна (тобто I_я = 0):

. (6.30)

14. Регулювання швидкості двигуна

З рівняння швидкісної характеристики (6.29) випливає, що швидкість електродвигуна можна регулювати наступними способами:

зміною напруги на затисках електродвигуна (напругу, як правило, можна тільки знижувати відносно номінального значення за допомогою регулятора напруги, тому швидкість двигуна можна регулювати тільки вниз — у бік зниження в порівнянні з номінальним значенням);

зміною сили струму збудження (силу струму збудження, як правило, можна тільки зменшувати відносно номінального значення за допомогою реостата в колі збудження, тому швидкість двигуна можна регулювати тільки вверх — у бік підвищення в порівнянні з номінальним значенням);

зміною сили струму якоря (швидкість двигуна можна регулювати вниз від швидкості ідеального холостого ходу).

Напрям обертання вала електродвигуна можна змінити, помінявши напрям струму в обмотці якоря або в обмотці збудження (на підставі правила «лівої руки»), тобто помінявши місцями з'єднувальні проводи, які йдуть до затисків Я1 і Я2 або до затисків Ш1 і Ш2. При одночасній зміні струмів в обмотках електродвигуна напрям його обертання не зміниться.

15. Принципова електрична схема керування двигуном

Відповідно до викладеного вище, складаємо принципову електричну схему керування двигуном (рис. 6.10).

На даній схемі (рис. 6.10) приведені наступні позначення:

РЗ — регулювальний реостат у колі збудження;

ОЗ — обмотка збудження;

Ш1, Ш2 — затиски обмотки збудження;

Я1, Я2 — затиски обмотки якоря;

Я — якір електродвигуна;

РП — пусковий реостат у колі якоря;

РA — амперметр, який вимірює силу струму в обмотці якоря;

РV — вольтметр, який вимірює напругу на затисках електродвигуна.

У початковий момент пуску якір електродвигуна нерухомий, тому противо-е.р.с. в обмотці якоря дорівнює нулю (Е = 0). Отже, сила струму в обмотці якоря на підставі (6.27) дорівнює:

. (6.31)

Опір обмотки якоря незначний, тому сила струму в обмотці якоря в початковий момент пуску в декілька разів перевищить номінальне значення, що є небезпечним для електродвигуна. Щоб зменшити силу струму в обмотці якоря при пуску, послідовно з цією обмоткою включають пусковий реостат РП.

При пуску регулювальний реостат у колі збудження РЗ повинний бути виведений (R_рз = 0), а пусковий реостат введений.

Приклад

Електродвигун постійного струму з паралельним збудженням, який має номінальну потужність 2,2 кВт, номінальну частоту обертання 1500 об/хв, номінальну напругу 110 В, номінальний коефіцієнт корисної дії, який дорівнює 85 %, підключений до мережі постійного струму напругою 110 В. Опір обмотки якоря двигуна (включаючи опір щіток) дорівнює 0,5 Ом; опір обмотки збудження дорівнює 55 Ом.

Скласти принципову електричну схему керування електродвигуном; розрахункову схему якірного кола і кола збудження.

Визначити: потужність, яку споживає електродвигун з мережі при номінальному навантаженні; номінальний струм електродвигуна; струм в обмотці збудження; номінальний струм кола якоря електродвигуна; пусковий струм кола якоря електродвигуна; значення пускового опору, яке забезпечує пусковий струм кола якоря рівним номінальному струму якоря; сумарні втрати потужності в електродвигуні.

Рішення.

1. Принципова електрична схема керування електродвигуном приведена на рис. 6.10.

Складаємо розрахункову схему, яка складається з якірного кола і кола збудження:

2. Визначаємо потужність, споживану електродвигуном з мережі

при номінальному навантаженні:

.

3. Визначаємо номінальний струм електродвигуна:

.

4. Визначаємо струм в обмотці збудження електродвигуна:

.

5. Визначаємо номінальний струм у колі якоря електродвигуна:

; .

6. Визначаємо пусковий струм у колі якоря електродвигуна при виведеному пусковому реостаті:

.

7. Визначаємо значення пускового опору, яке забезпечує пусковий струм у колі якоря, що дорівнює номінальному струму якоря:

; ;

.

8. Визначаємо сумарні втрати потужності в електродвигуні:

.

Машинний генератор постійного струму

1. Виконати завдання інформаційно-репродуктивного і практично-стереотипного характеру, користуючись таблицями.

Таблиця 6.1

Експериментальне дослідження 1.

Генератор постійного струму паралельного збудження приводиться в обертання тепловим карбюраторним двигуном. Передбачено регулювання струму збудження за допомогою регулювального реостата, спостереження за силою струму збудження за допомогою амперметра, спостереження за струмом і напругою генератора за допомогою амперметра і вольтметра. Паспортні дані генератора наступні: номінальна потужність 4 кВт, номінальна напруга 220 В, номінальний к.к.д. 85 %. Генератор навантажений за допомогою реостата. К.к.д. теплового двигуна при номінальному навантаженні генератора дорівнює 28 %. Тепломісткість палива становить 4,610⁷ Дж/кг.

Складіть принципову електричну схему керування генератором.

Виберіть параметри реостата навантаження та вимірювальних приладів.

;

.

Тому амперметр повинен бути розрахований для вимірювань на постійному струмі та мати межу вимірювань 25 А. Вольтметр повинен бути розрахований для вимірювань на постійному струмі та мати межу вимірювань 250 В.

;

.

Тому реостат навантаження повинен мати максимальний опір 10 Ом.

Зберіть схему керування генератором та включите її в роботу.

Виведіть генератор на номінальний режим роботи.

Визначите номінальний струм збудження.

За показаннями амперметра РА₁ в номінальному режимі роботи двигуна.

Після пуску генератор не збуджується. Укажіть і обґрунтуйте можливі причини.

генератор розмагнічений;

не правильна полярність обмотки збудження;

не правильна полярність якірної обмотки;

обрив у колі збудження;

обрив у якірному колі.

Визначите кількість палива, яку витратить тепловий двигун за 1000 год роботи генератора в номінальному режимі.

;

.

Тематичне комплексне кваліфікаційне завдання

Умова 1

Генератор постійного струму паралельного збудження приводиться в обертання тепловим карбюраторним двигуном. Передбачено регулювання струму збудження за допомогою регулювального реостата, спостереження за силою струму збудження за допомогою амперметра, спостереження за струмом і напругою генератора за допомогою амперметра й вольтметра. Паспортні дані генератора наступні: номінальна потужність Р_н, номінальна напруга U_н, номінальний к.к.д. _н. Генератор навантажений за допомогою реостата. К.к.д. теплового двигуна при номінальному навантаженні генератора _д. Тепломісткість палива становить 4,610⁷ Дж/кг.

Експериментальне дослідження 2.

Двигун постійного струму паралельного збудження приводить в обертання робочу машину. Передбачено регулювання струму збудження за допомогою регулювального реостата, спостереження за силою струму збудження за допомогою амперметра, спостереження за струмом і напругою двигуна за допомогою амперметра і вольтметра. Передбачено пусковий реостат. Паспортні дані двигуна наступні: номінальна потужність 4 кВт, номінальна напруга 220 В, номінальний к.к.д. 80 %. Номінальна частота обертання 1500 об/хв. Номінальний струм двигуна дорівнює 22,2 А. Номінальний струм збудження дорівнює 1 А. Опір якірного кола дорівнює 0,5 Ом.

1. Складіть принципову електричну схему керування двигуном.

2. Виберіть параметри реостатів та вимірювальних приладів.

Амперметр РA₁ повинен бути розрахований для вимірювань на постійному струмі та мати межу вимірювань 2,5 А. Амперметр РA₂ повинен бути розрахований для вимірювань на постійному струмі та мати межу вимірювань 25 А. Вольтметр повинен бути розрахований для вимірювань на постійному струмі та мати межу вимірювань 250 В.

;

.

Тому пусковий реостат повинен мати максимальний опір 10 Ом.

3. Зберіть схему керування двигуном та підготуйте її до пуску двигуна.

4. Запустіть двигун та виведіть його на номінальний режим роботи.

5. Змініть напрям обертання двигуна двома способами та поясните їх.

Напрям обертання вала електродвигуна змінюють, помінявши напрям струму в обмотці якоря або в обмотці збудження (на підставі правила «лівої руки»), тобто помінявши місцями з'єднувальні проводи, які йдуть до затисків Я1 і Я2 або до затисків Ш1 і Ш2.

6. Визначте величину опору реостата, яку необхідно ввести в коло якоря, щоб добитися частоти обертання 1000 об/хв.

.

В свою чергу

;

.

Знаходимо опір пускового реостата:

.

7. Визначте вартість електричної енергії, яку споживе двигун за 1000 год. роботи в номінальному режимі.

;

.

Тематичне комплексне кваліфікаційне завдання

Умова 2

Двигун постійного струму паралельного збудження приводить в обертання робочу машину. Передбачено регулювання струму збудження за допомогою регулювального реостата, спостереження за силою струму збудження за допомогою амперметра, спостереження за струмом і напругою двигуна за допомогою амперметра й вольтметра. Передбачено пусковий реостат. Паспортні дані двигуна наступні: номінальна потужність Р_н, номінальна напруга U_н, номінальний к.к.д. _н, номінальна частота обертання n_н, номінальний струм двигуна I_н, номінальний струм збудження I_з.н, опір якірного кола R_я.