Контрольная работа
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
(Вариант 23)
1. Построить развернутые схемы простой петлевой (рис. 1) и простой волновой (рис. 2) обмоток якоря машины постоянного тока (МПТ).
 | |
|
2. Решить задачи.
Задача 1.
В замкнутой цепи (рис. 3), вольтметр PV, подключённый на зажимах источника ЭДС E, показывает напряжение Uxx = 80 В при отключенной нагрузке.
При подключении заданной нагрузки показания амперметра PA равны Iзн = 2 А, заданная нагрузка Rзн = 35 Ом.
Необходимо определить:
- ЭДС источника Е;
- внутреннее сопротивление источника Rи;
- напряжение на зажимах Uзн;
- ток короткого замыкания Iкз.
Требуется:
- начертить схему цепи (рис. 1);
- составить баланс напряжений и мощностей;
- построить графики всех напряжений и мощностей;
- показать на графиках точки, соответствующие режиму:
- холостого хода (хх);
- заданной нагрузки (зн);
- согласованной нагрузки (сн);
- короткого замыкания (кз).
 |
Задано:
Uxx = 80 B;
Rзн = 35 Ом; Iзн = 2 A.
Решение
В режиме холостого хода, когда 
, а ток нагрузки 
(рис. 4) напряжение на зажимах источника ЭДС равно значению ЭДС, т. е.
.
На основании закона Ома для режима заданной нагрузки (рис. 5) можем записать
Из этого уравнения можем найти внутреннее сопротивление источника ЭДС
Напряжение на зажимах источника ЭДС в режиме заданной нагрузки Uзн;
В режиме короткого замыкания, когда 
, а ток нагрузки 
(рис. 6) напряжение на зажимах источника ЭДС равно нулю.
На основании закона Ома запишем и вычислим
Режим согласованной нагрузки (рис. 7) наступает, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника ЭДС или Rсн = Rи = 5 Ом. В этом режиме от источника в нагрузку поступает максимальная мощность
 |
На основании закона Ома для режима согласованной нагрузки (рис. 7) можем записать
Используя второй закон Кирхгофа, составим баланс напряжений цепи
или
Составим баланс мощностей для режима заданной нагрузки
Построим графики напряжений (рис. 8) и мощностей (рис. 9) в зависимости от тока нагрузки Iн. Для этого запишем уравнения этих графиков.
Графики построены с помощью программы “Advanced Grapher”.
(линия коричневого цвета)
(линия синего цвета)
(линия зелёного цвета)
(линия голубого цвета)
(линия синего цвета)
Рис. 8. Графики напряжений
Рис. 9. Графики мощностей
Задача 2.
Генератор постоянного тока параллельного возбуждения имеет следующие параметры:
- частота вращения, n1 = 1285 об/мин;
- номинальный ток, Iн = 74 А;
- сопротивление цепи возбуждения, rв = 230 Ом;
- потери мощности в цепи возбуждения, Рв = 230 Вт;
- магнитный поток, Ф = 0,010 Вб;
- число полюсов, 2р = 4;
- число активных проводников якоря, N = 556;
- обмотка якоря волновая;
- число параллельных ветвей, 2а = 2;
- падение напряжения в переходных контактах щёток, ΔUщ = 2 В.
Необходимо вычислить для номинального режима генератора:
- ЭДС якоря;
- ток якоря;
- сопротивление якоря;
- потери мощности в обмотках якоря;
- электромагнитный момент;
- номинальную полезную мощность якоря.
Начертите принципиальную электрическую схему генератора параллельного возбуждения.
Вопрос: Что называется реакцией якоря и как она влияет на работу машин постоянного тока
Решение
Принципиальная электрическая схема (рис. 10) генератора параллельного возбуждения.
Определим номинальное напряжение генератора
Определим ток обмотки возбуждения
Используя первый закон Кирхгофа, определим номинальный ток якоря
Найдём конструктивную постоянную генератора СЕ
Номинальную ЭДС якоря определим по формуле
Составим уравнение якорной цепи, из которого определим сопротивление обмотки якоря
Отсюда
Определим потери мощности в обмотках якоря
Определим номинальную полезную мощность якоря
Определим номинальную полезную мощность генератора
Найдём конструктивную постоянную генератора СМ
Определим электромагнитный момент генератора по формуле
Ответ на вопрос
Реакция якоря и её влияние
на работу машины постоянного тока
В режиме холостого хода генератора постоянного тока в обмотке якоря индуцируется только ЭДС, а тока в обмотке нет, так как ЭДС параллельных ветвей взаимно компенсируются. При этом машина имеет только один магнитный поток - поток полюсов. Но стоит включить нагрузку, как в обмотке якоря появится ток и, как известно, этот ток создаст свой магнитный поток, который начнет накладываться на ток полюсов, т. е. имеет место явление, называемое реакцией якоря. Причём поле якоря является поперечным по отношению к полю полюсов.
Очевидно, что в результате их взаимодействия (наложения) под набегающими краями полюсов при ненасыщенной магнитной системе машины индукция будет уменьшаться, а под сбегающими - увеличиваться, при этом общий поток не изменится. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной цепи. Тогда в результате реакции якоря не только исказится картина поля, но уменьшится общий магнитный поток и связанная с ним ЭДС, при этом как бы возрастет магнитное сопротивление полюсного наконечника и зубцов якоря, расположенных под этим полюсом. В результате поток возбуждения, проходящий через них, уменьшится.
Реакция якоря приведёт к тому, что в секциях, расположенных на геометрической нейтрали, ЭДС отлична от нуля. Следовательно, при закорачивании секций щетками могут появиться токи, порождающие искрение и подгорание коллектора и щеток.
От этого нежелательного явления можно избавиться перемещением щеток по коллектору в направлении его вращения на некоторый угол β (с геометрической нейтрали на физическую нейтраль), где ЭДС в секциях равна нулю. Если учесть, что положение физической нейтрали изменяется с изменением нагрузки (при возрастании нагрузки угол β возрастает), то полностью ликвидировать искрение таким способом не удастся (придется непрерывно поворачивать щетки одновременно с изменениями нагрузки). На практике щетки устанавливают по наименьшему искрению при номинальной нагрузке. В случае работы машины в режиме двигателя, физическая нейтраль смещается против направления вращения.
Но если машина постоянного тока работает в реверсивном режиме, то поворот щеток на оптимальный угол β невозможен, так как угол β при реверсе меняет свой знак (направление). В этом случае для ослабления влияния реакции якоря в машинах постоянного тока применяют дополнительные полюсы, одновременно улучшающие коммутацию тока при реверсивном режиме.
Влияние реакции якоря можно ослабить увеличением воздушного зазора между полюсами и якорем, но это приведет к излишнему расходу меди и увеличению размеров машины.
Задача 3.
Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет следующие параметры:
- полезная мощность двигателя, Р2 = 8,470 кВт;
- коэффициент полезного действия, η = 84%;
- напряжение питающей сети, U = 220 B;
- сопротивление цепи возбуждения, rв = 220 Ом;
- сопротивление цепи якоря, rя = 0,280 Ом;
- электромагнитный вращающий момент, Мэм = 111 Н·м.
Необходимо вычислить для заданного режима двигателя:
- мощность, потребляемую двигателем из сети;
- ток, потребляемый двигателем из сети;
- ток якоря;
- противо-ЭДС якоря;
- частота вращения якоря;
- полезный вращающий момент двигателя.
Начертите принципиальную электрическую схему двигателя параллельного возбуждения, показав на ней пусковой и регулировочный реостаты.
Вопрос: Какую роль в работе двигателя играет электромагнитная индукция?
Решение
Принципиальная электрическая схема (рис. 11) двигателя параллельного возбуждения.
Решение
Определим мощность, потребляемую двигателем из сети
Определим ток, потребляемый двигателем из сети
Определим ток цепи возбуждения
Используя первый закон Кирхгофа, определим номинальный ток якоря
Составим уравнение якорной цепи, из которого определим противо-ЭДС обмотки якоря
Отсюда
Противо-ЭДС якоря определяется по следующему выражению
Электромагнитный момент якоря определяется по следующему выражению
Из этих двух выражений найдём отношение двух величин Е и М
Отсюда найдём частоту вращения якоря
Определим полезный вращающий момент двигателя
Ответ на вопрос
Роль электромагнитной индукции
в работе двигателя постоянного тока
Опытами было установлено, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Попытки обнаружить обратное явление, когда магнитное поле создавало бы ток, терпели неудачу до тех пор, пока в 1831 г. Фарадей не обнаружил, что электрический ток порождается не самим магнитным полем, а его изменением. Открытое Фарадеем явление получило название электромагнитной индукции.
Фарадей дал наглядное объяснение своим опытам, используя представление о магнитных силовых линиях. Он заключил, что индукционный ток возникает в проводнике в том случае, если образованный этим проводником контур или какая-либо его часть пересекает линии магнитной индукции.
В дальнейшем Э. X. Ленц установил важный закон, позволяющий во всех случаях предсказать направление индукционного тока. Согласно закону Ленца направление индукционного тока всегда таково, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающему индукционный ток.
Анализируя результаты опытов Фарадея, Максвелл установил, что во всех случаях ЭДС электромагнитной индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром
Это явление стали называть законом электромагнитной индукции (ЭМИ)
Опытами было установлено, что магнитное поле действует на движущиеся вместе с проводником электрические заряды с силой называемой Лоренца. А в целом на проводник с электрическим током, находящийся в магнитном поле, действует сила Ампера, равная геометрической сумме сил Лоренца, действующих на отдельные электрические заряды.
Направление силы Ампера может быть определено по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, а направление средних пальцев совпадало с направлением тока, то направление отогнутого в сторону большого пальца совпадает с направлением силы, действующей на проводник.
На основе этого эффекта построены все электрические двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию движения.
Но согласно закону электромагнитной индукции, при этом движении проводника в магнитном поле под действием силы Ампера наводится ЭДС, которую в двигателях постоянного тока называют противо-ЭДС. В соответствии с законом ЭМИ эта противо-ЭДС противодействует току в проводнике. В итоге ток в проводнике уменьшается, следом уменьшается сила Ампера, уменьшается ускорение движущегося проводника с током и этот процесс идёт до тех пор, пока ускорение движения проводника не станет равно нулю. Начнёт выполняться условие равенства силы Ампера, действующей на проводник с током в магнитном поле, противодействующей внешней силе, препятствующей движению проводника. Движение проводника становится устойчивым, ускорение движения проводника равно нулю.
Таким образом, можно на словах описать процесс разгона двигателя. Если внешняя сила по какой либо причине увеличится, то произойдёт обратный процесс, процесс замедления двигателю до другого устойчивого состояния, когда ускорение опять станет равно нулю.
Таким образом, электромагнитная индукция напрямую способствует переходу двигателя из одного устойчивого состояния в другое устойчивое состояние, характеризующиеся ускорением равным нулю и стабильной заданной скоростью движения (вращения).
Можем сделать вывод, что ЭМИ в двигателях постоянного тока играет важную роль по обеспечению устойчивого стабильного вращения при неизменных внешних факторах и способствует переходу в другой устойчивый режим работы двигателя при изменении внешних факторов. Таким образом, ЭМИ создаёт в двигателе постоянного тока отрицательную обратную связь, обеспечивающую устойчивую работу двигателя при самых различных сочетаниях воздействия внешних факторов в рамках ограничений, наложенных конструктивными особенностями двигателя.
