СРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
А. В. ГРИЩЕНКО, В. В. СТРЕКОПЫТОВ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Учебник

ОГЛАВЛЕНИЕ

 Введение

РАЗДЕЛ I. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

 Глава 1. Устройство и работа коллекторных машин постоянного тока
   1.1. Преобразование энергии в электрических машинах
   1.2. Принцип действия электрической машины постоянного тока
   1.3. Устройство электрической машины постоянного тока
   1.4. Обмотки машины постоянного тока
      1.4.1. Простая петлевая обмотка
      1.4.2. Сложная петлевая обмотка
      1.4.3. Простая волновая обмотка
      1.4.4. Сложная волновая обмотка
      1.4.5. Условия симметрии обмотки
      1.4.6. Уравнительные соединения
      1.4.7. Комбинированная обмотка
   1.5. Электродвижущая сила обмотки якоря
   1.6. Выбор типа обмотки якоря
   1.7. Магнитная цепь машины постоянного тока
   1.8. Реакция якоря
   1.9. Коммутация в машинах постоянного тока

 Глава 2. Генераторы постоянного тока
   2.1. Основные понятия
   2.2. Генератор независимого возбуждения
   2.3. Генератор параллельного возбуждения
   2.4. Генератор последовательного возбуждения
   2.5. Генераторы смешанного возбуждения

 Глава 3. Электродвигатели постоянного тока
   3.1. Основные понятия
   3.2. Двигатель параллельного возбуждения
   3.3. Двигатель последовательного возбуждения
   3.4. Двигатель смешанного возбуждения
   3.5. Торможение двигателей постоянного тока

 Глава 4. Асинхронные электрические машины
   4.1. Принцип действия и устройство асинхронных двигателей
   4.2. Электродвижущие силы статора и ротора
   4.3. Вращающий момент асинхронного двигателя
   4.4. Потери и КПД асинхронного двигателя
   4.5. Коэффициент мощности cosφ
   4.6. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя
   4.7. Коллекторные машины переменного тока

 Глава 5. Синхронные машины.
   5.1. Принцип действия синхронных машин
   5.2. Конструкция синхронных машин
   5.3. Обмотки статоров синхронных машин
   5.4. Электродвижущая сила фазной обмотки статора
   5.5. Реакция якоря синхронной машины
   5.6. Характеристики синхронного генератора
   5.7. Потери и КПД синхронных машин

 Глава 6. Нагревание и режимы работы электрических машин.
   6.1. Нагревание электрических машин
   6.2. Режимы работы электрических машин
   6.3. Вентиляция тяговых электрических машин

 Глава 7. Неисправности электрических машин локомотивов
   7.1. Искрение машин постоянного тока
   7.2. Неисправности машин постоянного тока
   7.3. Неисправности машин переменного тока

 Глава 8. Трансформаторы.
   8.1. Основные определения
   8.2. Устройство трансформаторов
   8.3. Принцип работы и КПД трансформатора

 Глава 9. Аккумуляторные батареи.
   9.1. Устройство аккумуляторов
   9.2. Приготовление электролита
   9.3. Способы заряда аккумуляторов
   9.4. Причины неисправностей аккумуляторов

РАЗДЕЛ II. СТАТИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

 Глава 10. Статические преобразователи электрической энергии
   10.1. Особенности работы тяговых преобразователей на локомотивах
   10.2. Выпрямители
   10.3. Управляемые выпрямители
   10.4. Инверторы
   10.5. Расчет и выбор силовых полупроводниковых приборов
   10.6. Групповое соединение полупроводниковых приборов
   10.7. Системы управления статическими преобразователями

 Глава 11. Электрические машины постоянного тока на подвижном составе
   11.1. Тяговые генераторы тепловозов
   11.2. Генераторы пассажирских вагонов
   11.3. Тяговые электродвигатели тепловозов
   11.4. Тяговые электродвигатели электровозов

 Глава 12. Вспомогательные машины постоянного тока
   12.1. Назначение и условия работы вспомогательных машин
   12.2. Конструкция вспомогательных электрических машин электровозов
      12.2.1. Мотор-генераторы (преобразователи)
      12.2.2. Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов
      12.2.3. Генераторы управления
   12.3. Конструкция вспомогательных электрических машин тепловозов
      12.3.1. Возбудители и вспомогательные генераторы
      12.3.2. Стартер-генераторы
      12.3.3. Электродвигатели привода вспомогательных агрегатов

 Глава 13. Электрические машины переменного тока на подвижном составе
   13.1. Тяговые генераторы тепловозов
   13.2. Тяговые агрегаты тепловозов
   13.3. Генераторы переменного тока пассажирских вагонов
   13.4. Асинхронные тяговые двигатели
   13.5. Управление частотой вращения вала и реверсирование асинхронного двигателя

 Глава 14. Вспомогательные электрические машины переменного тока
   14.1. Условия работы вспомогательных электрических машин
   14.2. Синхронный возбудитель ВС-650ВУ2
   14.3. Электродвигатели привода собственных нужд
   14.4. Конструкция асинхронных электродвигателей
   14.5. Расщепитель фаз НБ-455А
   14.6. Сельсины
   14.7. Тахогенераторы

 Глава 15. Трансформаторы на подвижном составе
   15.1. Трансформаторы электроподвижного состава
    15.2. Конструкция тяговых трансформаторов
   15.3. Сглаживающие реакторы
   15.4. Переходные реакторы
   15.5. Трансформаторы и магнитные усилители

   Приложение
   Список литературы

 Глава 2.
ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

2.1. Основные понятия.

   В зависимости от схемы включения обмотки возбуждения генераторы постоянного тока (ГПТ) с электромагнитным возбуждением подразделяют на генераторы независимого возбуждения и генераторы с самовозбуждением. В первом случае независимая (от самого генератора) обмотка возбуждения (НОВ) получает питание от постороннего источника постоянного тока (рис. 2.1, а), во втором – питание обмотки возбуждения осуществляется от самого генератора. Генераторы с самовозбуждением, в свою очередь, подразделяют на генераторы:
   • параллельного возбуждения (шунтовые), у которых обмотка возбуждения (ШОВ) подключена параллельно обмотке якоря (рис. 2.1, б);
   • последовательного возбуждения (сериесные), у которых обмотка возбуждения (СОВ) включена последовательно с обмоткой якоря (рис. 2.1, в);
   • смешанного возбуждения (компаундные), имеющие две обмотки возбуждения, одна из которых соединена с обмоткой якоря параллельно (ШОВ), а другая – последовательно (СОВ) (рис. 2.1, г).

Рис. 2.1. Упрощенные электрические схемы генераторов постоянного тока.
независимого (а), параллельного (б), последовательного (в) и смешанного (г) возбуждения:
G – генератор; НОВ, ШОВ и СОВ – независимая, шунтовая и сериесная обмотки возбуждения соответственно;
Ег – ЭДС генератора; Uв – напряжение обмотки возбуждения

   Генераторы с возбуждением постоянными магнитами не имеют обмотки возбуждения, так как их главные полюсы изготовляются в виде постоянных магнитов. При работе ГПТ в его якорной обмотке индуцируется ЭДС Ея. При подключении к генератору нагрузки в цепи якоря возникает ток, а на выводах генератора устанавливается напряжение:

Uг = Ея - IяRя (2.1)

   где Rя, – сумма сопротивлений всех участков электрической цепи якоря, Ом. В общем виде это сопротивление можно представить как:

Rя = rоя + rдп + rко + rсов + rщ

т.е. оно состоит из сопротивлений обмотки якоря rоя, обмотки добавочных полюсов rдп, компенсационной обмотки rко, последовательной обмотки возбуждения rсов и переходного щеточного контакта rщ. При отсутствии в машине какой-либо из указанных обмоток соответствующие слагаемые из формулы (2.2) нужно исключить. Якорь генератора приводится во вращение первичным двигателем, который создает на валу генератора вращающий момент М1. Если генератор работает в режиме холостого хода (Iя = 0), то для вращения его якоря нужен сравнительно небольшой момент, называемый моментом холостого хода М0. Этот момент затрачивается на преодоление трения в подшипниках, трения щеток о коллектор, трения вращающихся частей о воздух. При работе нагруженного генератора в проводниках обмотки якоря появляется ток ia = Iя / 2а. В результате взаимодействия этого тока с магнитным полем главных полюсов машины на каждый проводник обмотки якоря действует сила:

Fэм = Всрlia (2.3)

   где Вср – среднее значение магнитной индукции в воздушном зазоре, Тл; l – активная длина якоря, м. Определив по правилу левой руки направление этой силы, видим, что создаваемый ею электромагнитный момент Мэм направлен против вращающего момента первичного двигателя М1. Величина электромагнитного момента

Мэм = Fэм ND/2 = BcpliaND/2 (2.4)

   где N – число активных проводников в обмотке якоря; D – наружный диаметр якоря, м. Имея в виду, что ia = Iя/2а, πD = 2рτ, а полезный магнитный поток возбуждения Ф = Bcplτ (см. рис. 1.15, а), получим:

Мэм= ВсрlN (Iя / 2а) × (2pτ / 2π) = ФIя (pN / 2aπ) (2.5)

или где см = pN / 2aπ величина, постоянная для данной машины. При неизменной частоте вращения (n = const) вращающий момент первичного двигателя М1 уравновешивается суммой противодействующих моментов: моментом холостого хода Мхх и электромагнитным моментом Мэм:

М1 = Мxx + Мэм (2.7)

   Полученное выражение представляет собой уравнение моментов для генератора при n = const. Режим работы электрической машины, в котором она должна нормально функционировать в течение всего срока службы, называется номинальным режимом работы.
   Этот режим характеризуется номинальными величинами: номинальной мощностью Рном, номинальным напряжением Uном, номинальным током Iном и номинальной частотой вращения nном. Номинальная мощность генератора постоянного тока представляет собой полезную электрическую мощность на выводах машины, выраженную в ваттах, киловаттах или мегаваттах. Помимо указанных величин, номинальными называются и другие величины, если они соответствуют номинальному режиму работы машины. Генераторы обычно работают при неизменной частоте вращения n, поэтому все характеристики строятся при условии n = const. Основными характеристиками генераторов являются:
   • характеристика холостого хода – зависимость ЭДС на выходе генератора Ег от тока возбуждения Iв в режиме холостого хода:
   Ег = f (Iв) при Iн = 0 и n = const;
   • нагрузочная характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора Uг от тока возбуждения Iв при работе с нагрузкой:
   Ur = f (Iв) при Iн ≠ 0 и n = const;
   • внешняя характеристика – зависимость напряжения на выходе генератора Uv от тока нагрузки Iн:
   Uг = f (Iн) при Rрг = const и n = const;
   • регулировочная характеристика – зависимость тока возбуждения Iв от тока нагрузки Iн при неизменном напряжении на выходе генератора:
   Iв = f (Iн) при Uг = const и n = const.

2.2. Генератор независимого возбуждения.

   Схема включения генератора независимого возбуждения показана на рис. 2.2. Ток Iв в обмотке возбуждения, а следовательно, и величина основного магнитного потока машины регулируются реостатом Rpг, включенным в цепь обмотки возбуждения, питаемой от внешнего источника постоянного тока. Это может быть аккумулятор, выпрямитель или другой генератор постоянного тока, называемый в этом случае возбудителем.
   При снятии характеристики холостого хода Ег = f (Iв) генератор работает с разомкнутой цепью нагрузки (Iн = 0). Установив номинальную частоту вращения и поддерживая ее неизменной в течение всего опыта, постепенно увеличивают ток Iв в обмотке возбуждения от нуля до значения Iв = Iв max, при котором напряжение холостого хода Uг = 1,15 Uном.
   Прямолинейная часть характеристики соответствует ненасыщенной магнитной системе машины. При дальнейшем увеличении тока Iв магнитная система машины насыщается, и характеристика приобретает криволинейный характер.
   Характеристика холостого хода Ег = f (Iв) совпадает по форме с характеристикой намагничивания (см. рис. 1.17) и позволяет судить о магнитных свойствах машины.
   Нагрузочная характеристика генератора выражает зависимость напряжения Ur на выводах генератора от тока возбуждения Iв при неизменном токе нагрузки Iн, например номинальном, и номинальной частоте вращения. При указанных условиях напряжение на выводах генератора Uг меньше его ЭДС Е1, поэтому нагрузочная характеристика располагается ниже характеристики холостого хода. Уменьшение Uг при наличии нагрузки объясняется двумя причинами: падением напряжения в цепи якоря (см. формулу (2.1) и размагничивающим влиянием якоря.

Рис. 2.2. Схема включения генератора независимого возбуждения.
Rн - сопротивление нагрузки.

   Измерив суммарную величину активного сопротивления цепи обмотки якоря Rя и подсчитав падение напряжения IяRя можно определить ЭДС генератора при заданном токе нагрузки:

Ег = Uг + IяRя (2.8)

   Внешняя характеристика генератора представляет собой зависимость напряжения Uг на выводах генератора от тока нагрузки Iн. При снятии данных для построения внешней характеристики устанавливают номинальную частоту вращения генератора и увеличивают ток нагрузки до номинального значения при номинальном напряжении. Затем, постепенно уменьшая нагрузку до нуля (Iн = 0), снимают показания приборов. Сопротивление цепи возбуждения Rpг и частоту вращения в течение опыта поддерживают неизменными. Внешняя характеристика генератора отражает изменение тока возбуждения Iв. При увеличении тока нагрузки Iн напряжение Uг понижается в результате размагничивающего влияния реакции якоря и падения напряжения в цепи якоря. Наклон внешней характеристики к оси абсцисс (жесткость внешней характеристики) оценивается номинальным изменением напряжения генератора,%, при сбросе нагрузки:

ΔUном = (Eг - Uном / Uном) × 100 (2.9)

   Обычно для генераторов независимого возбуждения ΔUном = 5...10%. Регулировочная характеристика генератора Iв = f (Iн) показывает, как следует изменять величину тока в цепи обмотки возбуждения, чтобы при изменениях нагрузки генератора напряжение на его выводах оставалось неизменным и равным номинальному. При этом частота вращения сохраняется постоянной: n = const. Порядок построения регулировочной характеристики следующий. При отключенной нагрузке устанавливают такой ток возбуждения Iв0, при котором напряжение на выводах генератора равно номинальному. Затем постепенно увеличивают ток нагрузки генератора до номинального значения, одновременно увеличивая ток возбуждения таким образом, чтобы напряжение генератора во всем диапазоне изменения нагрузки оставалось равным номинальному. Так получают восходящую ветвь характеристики. Далее, постепенно уменьшая нагрузку генератора до холостого хода и регулируя соответствующим образом ток возбуждения, получают нисходящую ветвь характеристики. Нисходящая ветвь регулировочной характеристики располагается выше восходящей, что объясняется влиянием остаточного намагничивания магнитной цепи машины в процессе снятия восходящей ветви. Среднюю кривую, проведенную между восходящей и нисходящей ветвями, называют практической регулировочной характеристикой генератора. Основным недостатком генераторов независимого возбуждения является необходимость в постороннем источнике постоянного тока – возбудителе. Однако возможность регулирования напряжения в широких пределах, а также сравнительно жесткая внешняя характеристика являются несомненными достоинствами таких генераторов, что объясняет преимущественное использование их на тяговом подвижном составе.

2.3. Генератор параллельного возбуждения.

   Принцип самовозбуждения генераторов постоянного тока основан на том, что магнитная система машины, будучи намагниченной, сохраняет небольшой магнитный поток остаточного магнетизма сердечников полюсов и станины Фост (2...3% от полного потока).
   Самовозбуждение генератора проводят в режиме холостого хода. При вращении якоря поток Фост индуцирует в якорной обмотке ЭДС Еост, под действием которой в обмотке возбуждения возникает небольшой ток Iв. Если МДС обмотки возбуждения Iвwв имеет такое же направление, как и поток Фост, то она увеличит поток главных полюсов. Это, в свою очередь, вызовет увеличение ЭДС генератора и очередное увеличение тока возбуждения. Так будет продолжаться до тех пор, пока напряжение генератора не будет уравновешено падением напряжения в цепи возбуждения, т. е. когда IвRв = Ег, На рис. 2.3 показана схема включения генератора параллельного (шунтового) возбуждения. Характеристика холостого хода этого генератора аналогична характеристике холостого хода генератора независимого возбуждения. Самовозбуждение генератора возможно лишь при частоте вращения, превышающей некоторое значение, называемое критическим (nкр).

Рис. 2 3. Схема включения генератора параллельного возбуждения.
Rв – регулировочное сопротивление обмотки возбуждения.

   Это условие вытекает из характеристики самовозбуждения генератора, представляющей собой зависимость напряжения генератора в режиме холостого хода от частоты вращения при неизменном сопротивлении цепи возбуждения Ег = f (n) при Rв = const. Анализ характеристики самовозбуждения показывает, что в области малых частот вращения (n < nкр) увеличение частоты вращения сопровождается незначительным увеличением напряжения.
   Объясняется это тем, что при n < nкр процесс самовозбуждения еще не наступил и появление напряжения U0 обусловлено лишь остаточным намагничиванием магнитной цепи генератора.
   Процесс самовозбуждения начинается при n > nкр. В этом случае увеличение частоты вращения сопровождается резким увеличением ЭДС Ег. Однако при частоте вращения, близкой к номинальной, рост ЭДС несколько замедляется, что объясняется магнитным насыщением генератора. Таким образом, самовозбуждение генераторов постоянного тока возможно при соблюдении следующих условий:
   • магнитная система машины должна иметь остаточный магнетизм;
   • включение обмотки возбуждения должно быть таким, чтобы ее магнитный поток совпадал по направлению с потоком остаточного магнетизма Фост;
   • сопротивление цепи возбуждения должно быть меньше критического;
   • частота вращения якоря должна быть больше критической.

   Нагрузочная и регулировочная характеристики генератора параллельного возбуждения практически не отличаются от соответствующих характеристик генератора независимого возбуждения. Внешняя характеристика генератора параллельного возбуждения менее жесткая, чем у генератора независимого возбуждения. Объясняется это тем, что в генераторе параллельного возбуждения помимо причин, вызывающих уменьшение напряжения в генераторе независимого возбуждения (реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря), действует еще одна причина – уменьшение тока возбуждения в результате снижения напряжения от действия первых двух причин. Этим же объясняется и то, что при постепенном уменьшении сопротивления нагрузки Rн ток Iн увеличивается лишь до критического значения Iкр, а затем, при дальнейшем уменьшении сопротивления нагрузки, ток Iн начинает уменьшаться, а при коротком замыкании Iкз < Iкр. Дело в том, что с увеличением тока Iн увеличивается размагничивание генератора (в результате усиления реакции якоря и уменьшения тока возбуждения) и машина переходит в ненасыщенное состояние, при котором даже небольшое уменьшение сопротивления нагрузки вызывает резкое уменьшение ЭДС Ег машины. Величина тока нагрузки Iн определяется напряжением на выводах генератора Uг и сопротивлением нагрузки Rн. Поэтому при токах нагрузки Iн < Iкр, когда напряжение генератора уменьшается медленнее, чем убывает сопротивление нагрузки, происходит рост тока нагрузки. После того как ток нагрузки достигнет критического значения (Iн = Iкр), дальнейшее уменьшение Rн сопровождается уменьшением тока Iн, так как в этом случае напряжение генератора Uг убывает быстрее, чем уменьшается Rн. Короткое замыкание, вызванное постепенным уменьшением сопротивления нагрузки, неопасно для генератора параллельного возбуждения. Но при внезапном коротком замыкании магнитная система генератора не успевает сразу размагнититься, и ток Iкз достигает опасных для машины значений (8...12)Iном. При таком резком увеличении тока на валу генератора возникает значительный тормозящий момент, а на коллекторе появляется сильное искрение, переходящее в круговой огонь. Генераторы параллельного возбуждения широко используют в качестве источников постоянного напряжения вагонов, так как отсутствие возбудителя выгодно отличает их от генераторов независимого возбуждения. Колебание напряжения генератора параллельного возбуждения (см. формулу 2.9) составляет 10... 30%.

2.4. Генератор последовательного возбуждения.

   У генератора последовательного (сериесного) возбуждения (рис. 2.4) ток возбуждения равен току нагрузки (Iв = Iн), поэтому свойства этого генератора определяются лишь внешней характеристикой (рис. 2.5). Все остальные характеристики генератора могут быть сняты только при переключении генератора на независимое возбуждение. Это объясняется тем, что при холостом ходе ЭДС генератора невелика (Eг = Еост), поскольку при разомкнутой цепи якоря ток в обмотке возбуждения отсутствует. С появлением нагрузки в обмотке возбуждения появляется ток Iв = Iн, и напряжение генератора повышается, растет ток в цепи нагрузки, увеличивается магнитный поток полюсов и происходит дальнейший рост напряжения и тока в цепи якоря. Напряжение Uг увеличивается вплоть до наступления насыщения магнитной системы машины. При дальнейшем увеличении Iн напряжение генератора понижается, так как основной поток генератора из-за насыщения магнитной системы остается неизменным, в то время как реакция якоря и падение напряжения в цепи якоря увеличиваются.

Рис. 2.4. Схема включения генератора последовательного возбуждения.

Рис. 2.5. Внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения.
Uг = f(Iн)

   В результате внешняя характеристика генератора последовательного возбуждения имеет падающий характер. Вследствие значительной зависимости напряжения от тока нагрузки и плохой управляемости генераторы последовательного возбуждения применяются крайне редко (например, в сварочных машинах и иногда при реостатном торможении локомотивов).

2.5. Генераторы смешанного возбуждения.

   Генератор смешанного возбуждения (рис. 2.6) имеет две обмотки возбуждения: параллельную и последовательную. При согласном включении обмоток возбуждения их МДС складываются, что обеспечивает получение жесткой внешней характеристики генератора. В режиме холостого хода генератор имеет только параллельное возбуждение, так как Iн = Iя = 0. С появлением тока нагрузки возникает МДС последовательной обмотки возбуждения, которая подмагничивает машину и при этом полностью компенсирует размагничивающее действие реакции якоря и падение напряжения в цепи якоря.

Рис. 2.6. Схема включения генератора смешанного возбуждения.

   Внешняя характеристика при согласном включении обмоток является наиболее жесткой; напряжение на зажимах генератора при увеличении нагрузки остается почти неизменным. В тех случаях, когда требуется, чтобы напряжение на зажимах потребителя (в конце линии) во всем диапазоне нагрузок оставалось практически неизменным, число витков последовательной обмотки возбуждения увеличивают настолько, чтобы МДС этой обмотки компенсировала еще и падение напряжения в проводах линии. Однако такая мера возможна только для заранее оговоренных случаев.
   Генераторы с согласным включением обмоток возбуждения применяются для питания силовой нагрузки во всех случаях, когда требуется постоянство напряжения в линии при резких изменениях тока нагрузки. При встречном включении обмоток возбуждения напряжение генератора Uг с ростом тока нагрузки Iн резко уменьшается. Это объясняется размагничивающим действием последовательной обмотки возбуждения, МДС которой направлена встречно МДС параллельной обмотки.
   Встречное включение обмоток применяется лишь в генераторах специального назначения, например в сварочных генераторах, где круто падающая внешняя характеристика защищает генератор от коротких замыканий в линии. Кроме того, встречное включение обмоток практикуется в специальных генераторах возбуждения (возбудителях тяговых генераторов тепловозов), формирующих требуемую характеристику управляемой электрической машины.

 Глава 3.
ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

3.1. Основные понятия.

   Для электродвигателя – привода вспомогательного оборудования, работающего с постоянной скоростью вращения, можно составить уравнение ЭДС:

U = Eя + IяRя (3.1) (3.1)

  Таким образом, подведенное к двигателю напряжение уравновешивается противо ЭДС якорной обмотки Ея и падением напряжения в цепи якоря. На основании уравнения (3.1) можно получить формулу для определения тока якоря:

Iя =U - Eя / Rя (3.2)

   Умножив обе части уравнения (3.1) на ток якоря Iя, получим уравнение мощности:

UIя = ЕяIя + I2яRя (3.3)

   где UIя – мощность в цепи обмотки якоря, Вт; I2яRя – мощность электрических потерь в цепи якоря, Вт. Для выяснения сущности произведения ЕяIя выполним следующее преобразование формулы (2.5) с учетом формул (1.4) и (1.35):

ЕяIя = (pN / 60a) × ФnIя = (pN / 60a) × (60ω / 2π) × Iя (3.4)
или
ЕяIя = (pN / 60aπ) × ФIяω (3.5)

   Известно, что

pN / 60aπ × ФIя = М (3.6)

   тогда

ЕяIя = Мω = Рэм (3.7)

   где ω = 2nπ / 60 угловая скорость вращения якоря, с-1,
   Рэм – электромагнитная мощность двигателя, кВт.

   Следовательно, произведение ЕяUя представляет собой электромагнитную мощность двигателя, численно равную той части мощности на входе двигателя, которая в процессе его работы преобразуется в механическую мощность, необходимую для вращения якоря. Преобразовав уравнение (3.3) с учетом уравнения (3.7), получим:

UIя = Мω + IяRя. (3.8)

   С увеличением нагрузки на вал двигателя, т.е. с увеличением электромагнитного момента Мэм, возрастает мощность в цепи обмотки якоря UIя – мощность на входе двигателя. Но так как напряжение, подводимое к двигателю, поддерживается неизменным (U = const), то увеличение нагрузки двигателя сопровождается ростом тока в обмотке якоря Iя.

   В зависимости от способа возбуждения двигатели постоянного тока подразделяют на двигатели с возбуждением от постоянных магнитов (магнитоэлектрические) и с электромагнитным возбуждением. Последние, в соответствии со схемой включения обмотки возбуждения относительно обмотки якоря, подразделяют на двигатели параллельного (шунтовые), последовательного (сериесные) и смешанного (компаундные) возбуждения. На вал двигателя действуют следующие моменты:
   - вращающий (электромагнитный) момент Мэм, который приводит якорь двигателя во вращение, передаваемое через вал исполнительному механизму;
   - момент холостого хода Мхх, обусловленный механическими (включая вентиляционные) и магнитными потерями в двигателе. Величина момента Мхх не зависит от нагрузки, и в двигателях нормального исполнения она не превышает 2...6% от номинального значения вращающего момента Мном;
   - полезный момент М2, т.е. противодействующий момент механизма, приводимого в действие данным двигателем;
   - динамический момент Мд, возникающий при всяком изменении частоты вращения якоря двигателя и обусловленный инерцией вращающихся частей двигателя и нагрузки.

   Динамический момент определяют по формуле:

Мд = J (dω / dt) (3.9)

   где J – момент инерции всех вращающихся частей двигателя и нагрузки, кг×м2, приведенный угловой скорости вращения ω. Обычно моменты Мхх и М2 рассматривают совместно как статический момент сопротивления вращению вала двигателя:

Мхх + М2 = Мст (3.10)

   В общем случае уравнение моментов двигателя может быть записано как

Мэм = Мхх + М2 ± М, (3.11)
или
Мэм = Мст ± Мд. (3.12)

   Знак «+» или «-» у динамического момента определяется характером изменения скорости: при увеличении скорости момент Мд складывается с моментом Мст (знак «+»), а при уменьшении скорости Мд действует встречно моменту Мст (знак «-»). При неизменной скорости вращения якоря (dω/dt = 0) динамический момент Мд = 0, тогда уравнение моментов двигателя упростится:

Мэм = Мхх + М2 = Мст, (3.13)

   т.е. в установившемся режиме работы вращающий момент двигателя и статический момент сопротивления на его валу взаимно уравновешиваются. Вращающий момент двигателя пропорционален электромагнитной мощности, поэтому:

 Mэм = Pэм /ω = Pэм / (2nπ / 60) = 60Pэм / 2nπ = 9,55Pэм / n (3.14)

   Величина полезного момента двигателя М2 пропорциональна мощности двигателя Р2 что дает возможность получить выражение для определения полезного момента, аналогичное выражению (3.14):

М2 = 9,55P2 / n (3.15)

   где М2 – полезный момент, Нм;
   Р2– полезная мощность двигателя (мощность на валу), Вт;
   n – частота вращения якоря, об/мин.

   На основании формулы для определения ЭДС Ея = сеФn, тогда частота вращения якоря двигателя:

n = Ея / сеФn (3.16)

   Подставив в выражение (3.16) значение Ея из формулы (3.1), получим

n = U - IяRя / сеФ (3.17)

   где се – электрическая постоянная машины. Таким образом, частота вращения якоря электродвигателя прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна магнитному потоку возбуждения. Физически это объясняется тем, что увеличение напряжения U или уменьшение потока Ф вызывает увеличение разности (U- Ея), что, в свою очередь, ведет к увеличению тока Iя (см. формулу 3.2). Возросший ток Iя увеличивает вращающий момент, и если при этом нагрузочный момент остается неизменным, то частота вращения якоря двигателя тоже увеличивается.

   Следовательно, регулировать частоту вращения якоря двигателя можно, изменяя:
   - напряжение U.
   - магнитный поток возбуждения Ф.
   - величину сопротивления якорной цепи Rя.

   Направление вращения якоря определяется направлением магнитного потока возбуждения Ф и направлением тока в обмотке якоря. Поэтому, изменив направление того или другого, можно изменить направление вращения якоря. Следует иметь в виду, что переключение общих зажимов схемы у рубильника не дает изменения направления вращения якоря, так как при этом одновременно изменяется направление тока и в обмотке якоря, и в обмотке возбуждения. При исследовании работы двигателей постоянного тока большое значение имеет зависимость частоты вращения якоря от вращающего момента Мэм = Мхх + М2.
   Эта зависимость графически выражается механической характеристикой двигателя n =f (Mxx) при U= const и Rpг = const. Преобразуем выражение (3.17):

n = (U / ceФ) - (IяRя / ceФ) (3.18)

   и, подставив из формулы (2.6) значение тока Iя = МэмRя / сесмФ2 получим:

n = U / (ceФ - МэмRя / сесмФ2) (3.19)

   где см – электромашинная постоянная двигателя. Из формулы (3.19) видно, что на рабочие характеристики двигателя существенно влияет способ возбуждения. Двигатель работает устойчиво, и якорь вращается с постоянной скоростью, если развиваемый им вращающий момент равен противодействующему моменту сопротивления:

Мэм = Мст (3.20)

   Условие устойчивой работы двигателя формулируется следующим образом: при возрастании частоты вращения якоря прирост вращающего момента должен быть меньше прироста противодействующего момента:

dMэм / dn < dMст / dn (3.21)

   Обычно для выполнения этого условия необходимо, чтобы увеличение частоты вращения якоря двигателя сопровождалось уменьшением вращающего момента.

3.2. Двигатель параллельного возбуждения.

   Схема включения в сеть двигателя параллельного возбуждения показана на рис. 3.1. Реостат в цепи обмотки возбуждения Rpг служит для регулирования частоты вращения якоря двигателя. Так, при уменьшении сопротивления реостата увеличивается ток в обмотке возбуждения Iв, а следовательно, возрастает поток Ф, что согласно формуле (3.17) вызывает уменьшение частоты вращения якоря. При увеличении Rpг частота вращения якоря увеличивается. Зависимость частоты вращения от величины тока возбуждения выражается регулировочной характеристикой двигателя:

n = f(Iв) при I = const и U = const.

   Эксплуатационные свойства двигателя определяются его рабочими характеристиками, под которыми понимают зависимость частоты вращения n, тока I, полезного момента М2, вращающего момента Мэм от мощности на валу двигателя Р2 при U = const и Iв = const (рис. 3.2). Для анализа зависимости n = f(P2), которая называется скоростной характеристикой, используем формулу (3.17). Из этой формулы видно, что при неизменном напряжении f/на частоту вращения якоря влияют два фактора: падение напряжения в цепи якоря IяRя и поток возбуждения Ф. При увеличении нагрузки уменьшается числитель в формуле (3.17), а вследствие увеличения реакции якоря уменьшается знаменатель. Обычно ослабление потока, вызванное реакцией якоря, невелико, и первый фактор влияет на частоту вращения сильнее, чем второй. В итоге частота вращения якоря с ростом нагрузки уменьшается. Если же усиление реакции якоря в двигателе сопровождается более значительным ослаблением потока Ф и Мэм то частота вращения с увеличением нагрузки будет возрастать (пунктирная кривая на рис. 3.2). Однако такой характер зависимости n = f(P2) нежелателен, так как не удовлетворяет условию устойчивой работы двигателя (см, выражение 3.21).

Рис. 3.1. Схема включения двигателя параллельного возбуждения.

Рис. 3.2. Рабочие характеристики двигателя параллельного возбуждения. /p>

   Чтобы скоростная характеристика имела вид падающей кривой, в некоторых двигателях параллельного возбуждения применяют легкую (с небольшим числом витков) последовательную обмотку возбуждения, которая называется стабилизирующей обмоткой.
   При согласном включении этой обмотки с параллельной обмоткой возбуждения ее МДС компенсирует размагничивающее действие реакции якоря так, что поток Ф во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменным. Изменение частоты вращения якоря при переходе от номинальной нагрузки к холостому ходу, выраженное в процентах, называется номинальным изменением скорости:

Δn = (nхх - nном / nном)×100 (3.22)

   где nхх – частота вращения двигателя в режиме холостого хода, об/мин; nном - номинальная частота вращения двигателя, об/мин. Обычно для двигателей параллельного возбуждения Δn = 2...8%, поэтому скоростную характеристику двигателя параллельного возбуждения называют жесткой. Зависимость полезного момента М2 от нагрузки отражена в формуле (3.15). При n = const график М2 = f(P2) имеет вид прямой. Однако с увеличением нагрузки частота вращения якоря снижается, поэтому зависимость М2 = f(P2) имеет нелинейный характер.

   Согласно формуле (3.13), при n = const вращающий момент двигателя Мэм = Мхх + М2. Так как рабочие характеристики двигателя строятся при условии Iв = const, что обеспечивает постоянство магнитных потерь в двигателе, то момент холостого хода тоже постоянен, т.е. Мхх = const. Поэтому графики Мэм = f(P2) и М2 = f(P2) проходят параллельно. Если принять поток Ф = const, то график М2 = f(P2) является также выражением зависимости I = f(P2) поскольку Мэм = смФIя (см. выражение 3.19).

   Если пренебречь реакцией якоря, то так как Iв = const, можно принять Ф = const. Тогда механическая характеристика двигателя параллельного возбуждения представляет собой линию с небольшим наклоном к оси абсцисс. Угол наклона тем больше, чем больше величина сопротивления, включенного в цепь якоря.

   Механическая характеристика двигателя при отсутствии дополнительного сопротивления в цепи якоря называется естественной, а при включении дополнительного сопротивления в цепь якоря (Rя + rд) – искусственной. Устойчивость частоты вращения якоря и возможность ее плавной регулировки в широких пределах обеспечили двигателям параллельного возбуждения широкое применение на подвижном составе.

3.3. Двигатель последовательного возбуждения.

   В этом двигателе обмотка возбуждения включена последовательно в цепь якоря (рис. 3.3), поэтому магнитный поток Ф обмотки возбуждения зависит от тока якоря Iя.
   При небольших нагрузках магнитная система машины ненасыщена, и потому изменение магнитного потока от тока якоря прямо пропорционально Ф = КIя, где К– коэффициент пропорциональности. В этом случае выражение для определения электромагнитного момента можно записать как:

Мэм = (смКIя)Iя = с'мI2я (3.23)

   Подставив выражение (3.23) в выражение для частоты вращения (3.19), получим:

n = U - IяRя / с'мI2я = U - IяRя / с'мI2я (3.24)

   Таким образом, вращающий момент двигателя при ненасыщенном состоянии магнитной системы пропорционален квадрату тока якоря, а частота вращения обратно пропорциональна току нагрузки.

Рис. 3.3. Схема включения двигателя последовательного возбуждения.

Рис. 3.4. Рабочие характеристики двигателя последовательного возбуждения. /p>

   На рис. 3.4 представлены механические характеристики Мэм = f(Iя) и n = f(Iя) двигателя последовательного возбуждения. При больших нагрузках наступает насыщение магнитной системы двигателя. В этом случае магнитный поток при увеличении нагрузки практически не изменяется, и характеристика двигателя Мэм = f(Iя) приобретает линейный характер. Как видим, скоростная характеристика n = f(Iя) двигателя последовательного возбуждения является мягкой, поскольку частота вращения якоря резко меняется при изменении нагрузки.

   Следует иметь в виду, что при уменьшении нагрузки частота вращения якоря резко увеличивается – двигатель идет в «разнос». Поэтому работа двигателя последовательного возбуждения, а также его пуск при отсутствии нагрузки на валу недопустимы. В качестве меры безопасности вал двигателя последовательного возбуждения должен быть жестко соединен с рабочим механизмом посредством муфты или зубчатой передачи. Применение ременной передачи недопустимо, так как при обрыве или сбросе ремня может произойти «разнос» двигателя.

   Свойство двигателя развивать большой вращающий момент, пропорциональный квадрату тока якоря, имеет существенное значение, особенно в тяжелых условиях пуска и при перегрузках, так как при постепенном увеличении нагрузки двигателя мощность на входе растет медленнее, чем его вращающий момент. Способность двигателей последовательного возбуждения развивать большой пусковой момент обусловило их широкое применение в качестве тяговых на тепловозах, электровозах и в различных подъемных устройствах. Номинальное изменение частоты вращения якоря,%, последовательного возбуждения определяется по формуле:

Δnном = (n(0,25) - nном / nном)×100 (3.25)

   где (0,25) - частота вращения при нагрузке двигателя, составляющей 25% от номинальной, об/мин; nпом – частота вращения якоря при номинальной нагрузке, об/мин. Регулировать частоту вращения якоря двигателя последовательного возбуждения можно двумя способами: изменением напряжения питания U и изменением магнитного потока Ф обмотки возбуждения.

3.4. Двигатель смешанного возбуждения.

   Двигатель смешанного возбуждения нашел наибольшее распространение в качестве привода агрегатов. Он имеет две обмотки возбуждения: параллельную (ШОВ) и последовательную (СОВ) (рис. 3.5). Частота вращения вала этого двигателя определяется по выражению (3.18) с учетом того, что:

Ф = Ф1 ± Ф2,

   где Ф1 и Ф2 – соответственно потоки параллельной и последовательной обмоток возбуждения, Вб. Знак «+» соответствует согласному включению обмоток возбуждения (МДС обмоток складываются). В этом случае с увеличением нагрузки общий магнитный поток машины увеличивается (за счет потока последовательной обмотки Ф2), что ведет к уменьшению частоты вращения якоря. При встречном включении обмоток поток Ф2 при увеличении нагрузки размагничивает машину (знак «-»), что, наоборот, увеличивает частоту вращения. Работа двигателя при этом становится неустойчивой, так как с увеличением нагрузки частота вращения неограниченно возрастает. Однако при небольшом числе витков последовательной обмотки с увеличением нагрузки частота вращения не возрастает и во всем диапазоне нагрузок остается практически неизменной. Механические характеристики двигателя смешанного возбуждения при согласном включении обмоток возбуждения (рис. 3.6) в сравнении с механическими характеристиками двигателя последовательного возбуждения имеют более жесткую характеристику.

Рис. 3.5. Схема включения двигателя смешанного возбуждения.

   Двигатель смешанного возбуждения имеет ряд преимуществ по сравнению с двигателем последовательного возбуждения. Например, этот двигатель может работать вхолостую, так как поток параллельной обмотки Ф ограничивает частоту вращения якоря в режиме холостого хода и устраняет опасность «разноса». Регулирование частоты вращения осуществляется реостатом Rpг в цепи параллельной обмотки возбуждения. Однако наличие двух обмоток возбуждения увеличивает стоимость изготовления двигателя смешанного возбуждения по сравнению с двигателями предыдущих типов, что ограничивает его применение.

Рис. 3.6. Рабочие характеристики двигателя смешанного возбуждения.

3.5. Торможение двигателей постоянного тока.

   При необходимости быстрой остановки или уменьшения скорости вращения якоря применяют его электродинамическое торможение. Если внешний момент на валу двигателя становится вращающим, то частота вращения становится больше пограничной скорости nхх.
   При этом ЭДС Ея начинает превышать напряжение сети U. В этом случае ток якоря Iя изменяет свое направление, и машина переходит в генераторный режим. Электромагнитный момент машины также меняет свое направление и становится тормозящим по отношению к внешнему моменту, действующему на вал машины. Величина тормозного момента регулируется током возбуждения.
   При электродинамическом торможении обмотку якоря двигателя отключают от сети и замыкают на нагрузочное сопротивление Rн.
   При этом механическая энергия вращающихся масс преобразуется в электрическую энергию, которая, в свою очередь, расходуется на нагрев сопротивления Rн и других элементов цепи якоря. Ток якоря при динамическом торможении меняет свое направление на противоположное, а создаваемый им электромагнитный момент оказывает тормозящее действие на подвижные части приводного механизма.
   При динамическом торможении двигателей последовательного возбуждения во избежание размагничивания машины необходимо переключать обмотку возбуждения для того, чтобы направление тока в ней при переходе на динамическое торможение осталось неизменным. Торможение противовключением (контрток) применяется при необходимости интенсивного торможения. Сущность его состоит в том, что путем изменения направления тока в обмотке возбуждения либо в обмотке якоря меняют направление электромагнитного момента двигателя, и он становится тормозящим. Обычно торможение противовключением предшествует изменению направления вращения якоря (реверсированию). Однако на практике такой режим работы электрической машины может вывести ее из строя.

 Глава 4.
АСИНХРОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ.

4.1. Принцип действия и устройство асинхронных двигателей.

   Конструкция.
   Среди электрических двигателей первое место по своему распространению занимают трехфазные асинхронные двигатели. Не менее 95% всех электродвигателей переменного тока, применяемых в разных отраслях промышленности, принадлежат именно к этому классу. Как и электрические машины постоянного тока, асинхронные электродвигатели обратимы и могут работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Неподвижный стальной кольцеобразный сердечник вместе с уложенной в его пазах многофазной обмоткой носит название статора. В расточке статора расположена вращающаяся часть двигателя – ротор, который состоит из вала, сердечника и обмотки.

   Обмотка ротора (рис. 4.1) состоит из алюминиевых стержней 1, расположенных в пазах сердечника и замкнутых с обоих торцов алюминиевыми кольцами 2. Принцип действия асинхронного двигателя основан на взаимодействии вращающегося магнитного поля статора, образуемого многофазным (обычно трехфазным), током, с токами, наводимыми в обмотке ротора. В результате чередования фаз тока в неподвижно расположенных обмотках статора создается результирующий, постоянный по величине магнитный поток, вращающийся в пространстве с частотой n1 соответствующей частоте тока. Частота вращения ротора зависит от частоты напряжения питания, величины нагрузки и числа пар полюсов на статоре. В результате взаимодействия индуцированного тока с магнитным потоком создается момент, противодействующий причине возникновения этого тока. В данном случае ток вызывается относительным перемещением потока и ротора. Следовательно, возникающий момент стремится уменьшить относительную скорость магнитного поля и ротора и вращает ротор в направлении вращения поля. Однако частота вращения ротора всегда меньше частоты вращения поля, так как только при этом условии ротор пересекается вращающимся полем и в нем индуцируется ток.

Рис 4.1. Короткозамкнутая обмотка ротора («беличья клетка»)
 1 – стержень, 2 – кольцо.

   Принцип действия двигателя основан на отставании частоты вращения магнитного поля ротора от частоты вращения поля статора, что обусловило появление термина асинхронный, т.е. неодновременный. Асинхронные двигатели часто называются также индукционными, поскольку они работают на том же принципе, что и индукционные приборы (трансформаторы). Вращающееся поле статора пересекает проводники (стержни) обмотки ротора и наводит в них ЭДС, под действием которой в стержнях короткозамкнутой обмотки ротора протекает относительно большой ток. На проводник обмотки ротора действует электромагнитная сила Fпp, направление которой совпадает с направлением вращения поля статора (рис. 4.2). Совокупность сил Fпp, приложенных к отдельным проводникам, создает на роторе электромагнитный момент Мэм вращающий ротор с частотой n2. Вращение ротора передается через вал исполнительному механизму. Направление вращения магнитного поля статора, а следовательно, и направление вращения ротора, зависят от порядка чередования фаз питающего напряжения. При необходимости изменения направления вращения ротора асинхронного двигателя следует поменять местами любую пару фазных выводов, соединяющих двигатель с сетью.

   Частота вращения.
   За основу принимается двухполюсная система, создаваемая тремя витками, или катушками, взаимно сдвинутыми в пространстве на 120°. За один период переменного тока двухполюсное магнитное поле делает один оборот, а за одну минуту – 60f оборотов, где f – частота тока. При стандартной частоте f = 50 Гц частота вращения поля n = 60 × 50 = 3000 об/мин. При числе полюсов больше двух необходимо различать механическую и электрическую угловые скорости вращения поля. Электрическая угловая скорость ω = 2πf не зависит от числа катушек и числа полюсов статорной обмотки. Механическая угловая скорость ω1 = 2πfn / 60, т.е. обратно пропорциональна числу пар полюсов магнитного поля. Действительно, при числе р пар полюсов имеется 3р витков, или катушек, сдвинутых взаимно на 2π/3р, или 360о/3р. За один период переменного тока результирующий магнитный поток переместится в пространстве на часть окружности, занимаемую тремя соседними катушками, принадлежащими трем разным фазам, т.е. на 2π/р, или 360°/р.

Рис. 4.2. Принцип работы асинхронного двигателя.

   Очевидно, что в этом случае угловая скорость вращения поля равна:

ω1 = 2πf / р (4.1)

   а число оборотов магнитного поля в минуту составляет:

n = 60f / p (4.2)

   Таким образом, при частоте питающего напряжения f = 50 Гц в двухполюсной машине n1 = 3000 об/мин, четырехполюсной n1= 1500 об/мин, шестиполюсной n1 = 1000 об/мин, в восьмиполюсной n1 = 750 об/мин и т.д. Обозначим через n частоту вращения ротора. Отношение s = n1 - n2 / n2 называется скольжением. Для асинхронных двигателей скольжение является основным фактором, определяющим условия работы машины. Частота вращения ротора:

n = n1(1 - s) = 60 f (1 - s) / p (4.3)

   Для эффективной работы двигателя необходимо поддерживать величину s < 0,04. В результате частота вращения ротора двигателя будет незначительно отличаться от частоты вращения поля статора. Например, при s = 0,04 частота вращения вала четырехполюсного двигателя составит 1440 об/мин.

   Обмотка статора асинхронного двигателя.
   Как и первичная обмотка трансформатора, эта обмотка выполняет две функции.
   Во-первых, она создает МДС и, таким образом, играет роль обмотки возбуждения машин постоянного тока.
   Во-вторых, обмотка статора передает электрическую энергию ротору, в котором эта энергия преобразуется в механическую энергию вращения. Для лучшего использования поверхности статора и получения наибольшего магнитного потока обмотка статора распределяется по всей внутренней поверхности кольцеобразного сердечника статора. Простейшая трехфазная однослойная четырехполюсная обмотка статора в разрезе показана на рис. 4.3, а на рис. 4.4 приведена ее схема в развернутом виде. Обмотка состоит из 12 проводников (или сторон секций), соответственно пронумерованных на обоих рисунках. Каждый проводник располагается в соответствующем пазу в сердечнике статора. Если при одной паре полюсов вся окружность статора соответствует 360 эл. град., то при двух парах полюсов (р = 2) 360 эл. град, соответствуют половине окружности, т. е. двойному полюсному делению 2τ. Начала обмоток фаз А, В и С, соединенные с внешней сетью, должны располагаться на расстоянии 120 эл. град, друг от друга. Шаг обмотки, т.е. расстояние между соседними проводниками по ходу обмотки, равен полюсному шагу т, т.е. в данном случае соответствует 180 эл. град. Концы обмоток, обозначенные на рис 4.4 буквами X, Y и Z, соединяются либо в звезду, либо в треугольник. В данном случае применено соединение в звезду, т.е. концы обмоток объединены в общую нулевую точку схемы. Для определения направления токов в проводниках обмотки необходимо задаться каким-либо моментом времени, например соответствующим положению векторов токов трех фаз А, В и С. В этот момент времени ток в первой фазе положителен, т.е. направлен от начала А к концу X, в остальных двух фазах токи отрицательны, т.е. направлены от концов Y и Z к началам В и С. Все проводники разбиваются на (2р = 4) группы с одинаковым направлением тока в каждой группе. Таким образом, создается четыре ветви магнитного потока и четыре полюса, зоны которых показаны пунктирными линиями на рис. 4.3, а сами полюса – пунктирными линиями на рис. 4.4. Магнитные силовые линии замыкаются по стальным сердечникам статора и ротора, причем условно считаем, что силовые линии, выходящие из статора, образуют северные полюсы, а входящие в статор – южные. В группе проводников с одинаковым направлением тока среднее место занимает проводник той фазы, ток которой в данный момент времени имеет максимальное значение (на рис. 4.4 это первая фаза А). По мере вращения векторов А, В, С картина распределения токов изменяется, а вместе с этим происходит изменение положения магнитного поля, т. е. его вращение. В действительности речь идет не об отдельных проводниках, а о катушках, состоящих из многих витков. Катушки в свою очередь разбиваются на секции, располагаемые в отдельных пазах.

Рис. 4.3. Простейшая четырехполюсная машина переменного тока.

Рис. 4.4. Развертка обмотки статора простейшей четырехполюсной машины переменного тока.

   Показанная на рис. 4.4 обмотка соответствует минимально возможному числу пазов, так как на каждый полюс и на каждую фазу приходится только один паз. Такая обмотка выполнена в один паз на полюс и фазу. Обычно применяется несколько пазов на полюс и фазу. Если обозначить через Z1 общее число пазов статора, т1 - 3 – число фаз и g1 – число пазов на полюс и фазу, тогда получим:

Z1 = 2pm1g1 = 6pg1 (4.4)

   В настоящее время в основном применяются двухслойные обмотки, когда в каждом пазу располагаются две стороны секций, принадлежащие к разным катушкам: одна сторона каждой секции лежит в верхнем слое, а вторая – в нижнем слое в другом пазу. Выводы фазных обмоток подключаются к зажимам на щитке двигателя. Три начала и три конца обмоток располагаются в два ряда, причем против зажима начала одной фазы находится зажим конца соседней фазы. Обмотки могут быть соединены либо в звезду, либо в треугольник в зависимости от напряжения питающей сети. Например, один и тот же двигатель, рассчитанный на фазное напряжение (т.е. на напряжение каждой фазы своей обмотки), может быть соединен в звезду при линейном напряжении 380 В и в треугольник – при линейном напряжении 220 В.

   Ротор асинхронного двигателя.
   В качестве простейшего ротора может быть применен сплошной стальной цилиндр, служащий одновременно и магнитопроводом, и токопроводом. Однако двигатели с таким ротором имеют низкий коэффициент полезного действия и низкий cos φ. Индуцируемые в роторе токи с одной стороны участвуют в создании момента вращения, а с другой стороны, при их циркуляции в роторе выделяется теплота согласно закону Джоуля–Ленца. Необходимо разработать конструкцию ротора, обеспечивающую увеличение механического эффекта и уменьшение теплового эффекта индуцированных токов. С этой целью нужно сосредоточить токи как можно ближе к цилиндрической поверхности ротора с тем, чтобы увеличить плечо электромагнитных сил. В то же время выгодно, чтобы внутренняя часть ротора имела в осевом направлении наибольшее сопротивление, поскольку циркулирующие вихревые токи превращают электрическую энергию в тепловую. Для достижения указанной цели цилиндрический сердечник ротора набирается так же, как и статор, из тонких стальных листов, изолированных друг от друга.
   Для протекания индуцированных токов в пазах близ внешней поверхности ротора укладываются медные или алюминиевые проводники – стержни. Все стержни соединены между собой двумя замыкающими кольцами, расположенными с обоих торцов сердечника. Такой ротор называется короткозамкнутым.
   Стержни, расположенные вдоль цилиндрической поверхности, вместе с короткозамкнутыми кольцами образуют так называемую беличью клетку. Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (их часто называют просто короткозамкнутыми двигателями) получили широкое распространение на подвижном составе благодаря исключительной простоте, дешевизне и надежности в работе.

4.2. Электродвижущие силы статора и ротора.

   При синусоидальном распределении постоянного по величине вращающегося магнитного потока в воздушном зазоре асинхронной машины в обмотке ротора индуцируется ЭДС, изменяющаяся во времени по синусоиде. То же относится и к обмотке статора, проводники которого также пересекаются вращающимся магнитным потоком. Если ЭДС изменяется синусоидально, то ее мгновенное значение, как известно из теории переменных токов, равно е = Етsinωt. Амплитуда ЭДС в одном витке обмотки равна Ет = Фтω, где Ет – максимальное значение ЭДС. Если обмотка расположена в нескольких пазах, то ЭДС, индуцируемые в отдельных проводниках обмотки одной фазы, лежащих в разных пазах, будут отличаться по фазе. Поэтому полная ЭДС в обмотке одной фазы равна геометрической сумме ЭДС отдельных проводников. То же относится и к определению ЭДС одного витка, или катушки, при так называемом укорочении шага, когда шаг обмотки меньше полюсного шага машины. Введя коэффициент k1 меньший единицы, зависящий от устройства обмотки и называемый обмоточным коэффициентом, можно записать:

Е1 = 4,44 k1Фfw1

   где Е1 – ЭДС фазы, В;
   Ф – магнитный поток обмотки статора, Вб;
   f– частота питающей сети, Гц;
   w1– число витков обмотки фазы статора.

   Обмоточный коэффициент зависит от типа и схемы статорной обмотки и в среднем примерно равен 0,9. ЭДС статорной обмотки уравновешивается приложенным к обмотке статора напряжением сети. По отношению к току статора эта ЭДС является противодействующей. ЭДС, индуцируемая в обмотке ротора, определяется относительной частотой вращения поля и ротора ω2 = 2πfs = sω1. Таким образом, можно записать:

е = Emsinω2t = Emsin(sω1t) (4.5)

   Значение магнитного потока Ф, входящее в уравнения, есть магнитный поток взаимной индукции, охватывающий обе обмотки –- статорную и роторную. Для действующего значения ЭДС в обмотке ротора при скольжении s мы аналогично получим E2s = 4,44k2Фf2w2 = 4,44k2Фfw2s. Как и в трансформаторе, при определении магнитного потока Ф токов ротора и статора исходной величиной является ток во вторичной цепи, т.е. в роторе асинхронного двигателя. Величина роторного тока определяется нагрузкой машины, причем в данном случае речь идет о механической нагрузке, т.е. о моменте на валу двигателя. С увеличением момента на валу вращение ротора замедляется, разность частоты вращения поля и ротора увеличивается, в соответствии с чем возрастают ЭДС и ток в роторе.

4.3. Вращающий момент асинхронного двигателя.

   Направление силы механического взаимодействия между проводниками ротора и вращающимся магнитным полем показано на рис. 4.5. Однако этот рисунок изображает только небольшой участок обмотки ротора; если же мы рассмотрим всю поверхность ротора с распределенной на нем обмоткой, то картина окажется более сложной.

Рис. 4.5. Направление силы механического взаимодействия
между вращающимся полем статора и проводниками ротора

   Допустим, что магнитное поле вращается с частотой n1 против часовой стрелки. В рассматриваемый момент времени результирующий магнитный поток занимает показанное на рисунке положение, т.е. в данной зоне магнитные линии входят в статор из ротора (полюс S статора). Согласно правилу правой руки для определения направления ЭДС, индуцируемой в проводниках ротора, необходимо принять во внимание направление движения проводников относительно магнитного поля. Очевидно, что относительное движение проводников ротора с частотой nпр направлено встречно движению поля, т.е. в данном случае по часовой стрелке. Применив для этого случая правило правой руки, найдем, что в проводниках ротора ЭДС направлена в сторону читателя (знак точки). Ток в этих проводниках направлен в ту же сторону. Согласно правилу левой руки механическая сила F, действующая на проводники ротора, вызывает вращение ротора в направлении вращения поля. Очевидно, что когда против рассматриваемых проводников ротора окажется полюс N статора, направление ЭДС и тока в проводниках ротора изменится на обратное. Частота этих перемен зависит от разности: n1 - n = sn1 .Частота тока в роторе: f2 = sf. Например, при s = 0,04 частота тока в роторе f2 = 0,04 × 50 = 2 Гц. На рис. 4.6 показан двухполюсный ротор с распределенной по всей окружности короткозамкнутой обмоткой, состоящей из 12 стержней или проводников. Магнитный поток вращается против часовой стрелки, т. е. ось магнитного потока направлена от А к В. Направления ЭДС, индуцируемых в роторе магнитным потоком, 52 / 203 определенные по правилу правой руки, показаны значками в внешнем ряду, ближе к поверхности ротора. Эти направления в точности соответствуют направлению вектора магнитной индукции. Максимальные (по абсолютной величине) значения магнитной индукции и ЭДС соответствуют проводникам 4 и 10, находящимся на линии АВ.

Рис. 4.6. Механизм образования механической силы
и вращающего момента в асинхронном двигателе

   Вследствие индуктивного характера сопротивления обмотки ротора ЭДС и ток ротора сдвинуты по фазе на угол φ. Определяя по правилу левой руки механические силы, действующие на проводники ротора, мы видим, что не на все проводники эти силы действуют в направлении вращения поля, как это следует из элементарного принципа действия асинхронного двигателя (рис. 4.7). Это утверждение действительно только для тех проводников, в которых направление тока совпадает с направлением ЭДС. В общем случае, при достаточно большом числе проводников, можно сказать, что механическая сила действует по направлению поля в зоне, соответствующей углу π - φ, и против направления поля в зоне угла φ. Это показано соответствующими стрелками на рис. 4.7. Границы зон определяются прямыми HG и LK, перпендикулярными к прямым АВ и СD. При большем числе полюсов участки с противоположным направлением силы будут чередоваться чаще, но общая сумма геометрических углов, соответствующих тому или иному направлению силы, останется такой же. После определения средней силы или среднего вращающего момента, действующего на проводники ротора, можно перейти к определению момента машины.

   Имеем следующие исходные выражения для магнитного потока Ф, тока ротора I2 и коэффициента мощности cosφ:

Ф = Е1 / 4,44k1w1;
I2 = sE1 / √r22 + s2x22;
cosφ = r2 / √ r22 + s2x22 (4.6)

   где r2 и х2 - соответственно активное и индуктивное сопротивления обмотки ротора, Ом. Вращающий момент:

М = cмФI2cosφ (4.7)

   где см – величина, постоянная для данной машины. Подставив в уравнение (4.7) выражения для Ф, I2 и cosφ из (4.6), получим:

M = E21sr2cм / 4,44k1fw1(r22 + s2x2) (4.8)

   Обозначив постоянную величину: cм / 4,44k1fw1 = C получим значение номинального момента асинхронного двигателя:

Mном = СE12 (sr2 / r22 + s2x22) (4.9)

Рис. 4.7. Распределение электромагнитной силы по окружности ротора.

   Механическая характеристика.
   Для дальнейшего упрощения анализа примем, что ЭДС статора Е1 при изменении s остается постоянной, т.е. пренебрежем изменением падения напряжения в обмотке статора. Однако это возможно только в известных пределах изменения нагрузки, токов и скольжения ротора двигателя, так как при больших значениях s падение напряжения в обмотке статора возрастает, а Е1 соответственно снижается. Таким образом, если принять Е1 = const, то выражение (4.8) превращается в зависимость М от одной независимой переменной скольжения s, т. е. мы получаем M = f(s), Как видно из графического изображения этой зависимости (рис. 4.8), при малых значениях скольжения преобладает влияние s в числителе формулы, соответственно чему момент двигателя М увеличивается почти пропорционально скольжению. Однако при значениях скольжения, больших некоторого критического значения sкp, начинает преобладать влияние слагаемого с s2 в знаменателе формулы (4.8), и момент снижается с увеличением s. Наличие максимума на кривой M = f(s) объясняется следующим образом. Если принять Ф = const, то на изменение момента в выражении (4.7) будет влиять I2, который растет с увеличением s, и cosφ, который падает с увеличением s. Величина угла φ, как видно из рис. 4.6, связана с наличием проводников, в которых электромагнитная сила направлена против вращения поля. Таким образом, с увеличением s, т. е. с уменьшением частоты вращения ротора, токи, а следовательно, и электромагнитные силы взаимодействия вращающегося поля статора и тока в отдельных проводниках ротора растут. При малых значениях s и φ момент растет с увеличением тока, однако при значительных величинах s и φ результирующий момент, действующий в направлении вращения поля и ротора, начинает снижаться. Повернув кривую M = f(s) (см. рис. 4.8) на 90° по часовой стрелке, получим механическую характеристику асинхронного двигателя n = f(M) (рис. 4.9). Действительно, если на рис. 4.8 по оси абсцисс отложены значения s от нуля до единицы (s = 0 соответствует холостому ходу, a smax = 1 – неподвижному состоянию ротора), то на рис. 4.9 нулевое значение на оси ординат соответствует n = 0, т. е. s = 1, а наибольшая ордината характеристики соответствует n - n1 т. е. s = 0. Строго говоря, на холостом ходу двигатель вращается с частотой n < n1 и развивает вращающий момент М = М0, где М0 – момент потерь на трение. Однако, пренебрегая весьма малой величиной М0, можно считать, что на холостом ходу двигатель вращается синхронно с полем.

Рис. 4.8. Зависимость вращающего момента М асинхронного двигателя от скольжения s
Мп - пусковой момент двигателя

Рис. 4.9. Механическая характеристика асинхронного двигателя: :
n – частота вращения ротора; n1 –частота вращения магнитного поля статора.

   Сделанные допущения соответствуют равенству вращающего момента двигателя М и момента сопротивления Мс, т.е. момента внешней нагрузки, приложенной к валу двигателя. Так как последняя величина является в отношении работы двигателя независимой переменной, то зависимость n = f(Мс) = f(M) отвечает действительным физическим условиям. Эта кривая носит название механической характеристики асинхронного двигателя. Механическая характеристика делится на две части: верхняя «устойчивая» часть для значений скольжения от s = 0 до s = sкp и нижняя «неустойчивая» часть от s = sкp до s = 1. Для устойчивой части действует принцип саморегулирования двигателя. При увеличении нагрузки или момента сопротивления внешних сил частота вращения ротора уменьшается, скольжение увеличивается, растет потребляемый ток, а вместе с тем и вращающий момент, уравновешивая увеличение момента сопротивления. В неустойчивой части увеличение момента внешних сил приводит к уменьшению скорости и одновременно вызывает уменьшение вращающего момента, вследствие чего динамическое равновесие становится невозможным. Поэтому при всяком увеличении момента нагрузки сверх значения Мmах двигатель сразу останавливается. В связи с этим максимальное значение момента носит название опрокидывающего. Отношение максимального момента Мmах к номинальному Мном характеризует коэффициент перегрузки двигателя λ. В современных двигателях λ = 2... 2,5, в некоторых двигателях λ > 3.

   Пусковые характеристики.
   Пусковые свойства короткозамкнутых двигателей определяются в первую очередь значением начального пускового момента Мп т.е. момента, соответствующего n = 0 и s = 1. Этот момент зависит от многих факторов, определяемых расчетом и конструкцией асинхронных двигателей. Отношение пускового момента Мп к номинальному Мном, или кратность моментов, изменяется для различных типов двигателей в широких пределах, большей частью от 0,9 до 2. В начале разгона, при небольшой частоте вращения, вращающий момент уменьшается по сравнению с величиной Мп, но это уменьшение незначительно. Двигатели с такими значениями пусковых моментов в большинстве случаев легко преодолевают моменты сопротивления при пуске. Кроме пускового момента большое значение имеет также величина пускового тока. Величина пускового тока ротора I2п (при s = 1) значительно превышает величину тока ротора при номинальной нагрузке (при s = sном). Пропорционально возрастанию тока ротора при увеличении скольжения растет ток статора. Отношение пускового тока статора Iп к номинальному току статора Iном колеблется обычно в пределах от 5 до 7 и называется коэффициентом кратности пускового тока. Большой пусковой ток не представляет опасности, так как время протекания пускового процесса составляет от малых долей секунды до нескольких секунд. За такой малый промежуток времени большой пусковой ток не может вызвать значительного повышения температуры двигателя. Более существенным является влияние пускового тока на напряжение сети. Если от одного и того же источника питается много двигателей, причем мощность каждого отдельного двигателя составляет небольшую часть от всей установленной мощности, то падение напряжения, вызванное пусковым током одного двигателя, не может существенно отразиться на напряжении всей сети. Только при наличии двигателей большой мощности (20... 25% от мощности питающего источника) падение напряжения, вызванное пуском такого двигателя, может стать недопустимым. Из сказанного следует, что в большинстве случаев для двигателей малой и средней мощности естественные пусковые условия, характеризуемые коэффициентами кратности пусковых тока и момента, являются допустимыми. Поэтому чаще всего асинхронные двигатели не нуждаются ни в каких особых пусковых устройствах (реостатах и пр.) и начинают работать после включения в сеть. Улучшение пусковых свойств, т.е. увеличение пускового момента и уменьшение пускового тока, может быть достигнуто путем изменения конструкции обмотки ротора благодаря использованию проводников ротора с большим активным сопротивлением в виде узких и высоких стержней (двигатели с глубоким пазом) или в виде двух концентрически расположенных «беличьих клеток». В случае тяжелых пусковых условий, а именно, при необходимости получения большого пускового момента для быстрого разгона под полной нагрузкой, а также при большой частоте пусковых операций, применяют асинхронные двигатели с фазным ротором (с контактными кольцами).

4.4. Потери и КПД асинхронного двигателя.

   Потери в асинхронных двигателях делятся на потери в обмотках статора и ротора Роб и магнитные потери в стальных сердечниках Рс. Потери в обмотках статора и ротора определяются как сумма:

Р = Роб1 + Роб2 = m1I21r1 + m2I22r2 (4.10)

   Для статора число фаз в обмотке статора m1 = 3, а для короткозамкнутого ротора m2 = z2/p, где z2 – число пазов ротора; р – число пар полюсов. Следует отметить, что активное сопротивление обмотки статора r1 несколько больше ее сопротивления при постоянном токе, что обусловлено поверхностным эффектом. Это увеличение можно учесть коэффициентом, равным в среднем 1,05; этот коэффициент следует применить и при определении r2 путем подключения обмотки статора к источнику постоянного тока. Что касается сопротивления обмотки ротора r2, то при вращающемся роторе оно такое же, как на постоянном токе, так как частота тока ротора весьма мала. Однако непосредственное измерение этой величины возможно у двигателя с фазовым ротором. Потери в обмотке короткозамкнутого ротора могут быть экспериментально определены лишь косвенным путем. Магнитные потери на гистерезис и вихревые токи приходятся почти полностью на стальной сердечник статора. В роторе эти потери весьма малы, так как они зависят от частоты тока, которая в роторе составляет лишь несколько процентов от частоты тока статора или сети. Поэтому можно магнитными потерями в роторе пренебречь и учитывать только потери в статоре. Механические потери состоят из потерь на трение в подшипниках и вентиляционных потерь, а в двигателях с фазным ротором сюда прибавляются еще и потери на трение щеток о контактные кольца. В короткозамкнутых двигателях (без контактных колец) малой и средней мощности с шариковыми подшипниками механические потери малы по сравнению с другими группами потерь.

   Определим КПД асинхронного двигателя. Как мы уже говорили, в статоре потери складываются из потерь в обмотке и в стали Роб1 и Рс, поэтому в ротор передается посредством вращающегося магнитного поля мощность

Р' = Рп - Роб1 - Рс,

   где Рп– подведенная к двигателю мощность. Эта мощность, называемая электромагнитной мощностью двигателя, может быть представлена как произведение вращающего момента электромагнитных сил на угловую скорость вращения поля:

Рэм = Мω1 = М (2πn1 / 60) (4.11)

   С другой стороны, механическая мощность ротора Р2, вращающегося со скоростью n, равна

P2 = М (2πn1 / 60) = Р'(1 - s), поскольку n = n1(1 - s). (4.12)

   Мощность, соответствующая разности между Р' и Р2, превращается в теплоту, выделяемую в обмотке ротора, т е.

Роб2 = Р' - P2 = Р' - Р'(1 - s) = Р's (4.13)

   Таким образом, скольжение s является мерой потерь в обмотке ротора, т.е. отношением мощности, теряемой на выделение теплоты в роторе, ко всей электромагнитной мощности, полученной ротором. Очевидно, что при s = 1, т. е. при неподвижном двигателе, вся мощность, получаемая ротором, превращается в теплоту. В нормальных условиях работы малая величина s (примерно несколько процентов) является необходимым условием экономичной работы двигателя. Вычитая из мощности Р2 механические потери Рмх, получаем полезную мощность на валу двигателя; Р = Р2 - Рмх. Если пренебречь механическими потерями (Рмх = 0), то получим Р = Р2. Потери магнитные и механические составляют в сумме потери холостого хода и могут быть определены на основании опыта холостого хода, т.е. при вращении двигателя без всякой нагрузки, когда почти вся потребляемая мощность идет на покрытие потерь холостого хода. Потери в обмотке статора определяются путем измерения сопротивления статорной обмотки. Потери в обмотке ротора определяются путем измерения частоты вращения двигателя, а следовательно, скольжения s. Коэффициент полезного действия двигателя определяется по выражению:

n = (P1 - ΣP) / P1 (4.14)

   где ΣP = Роб1 + Роб2 + Рс + Рмх + Рд – сумма всех потерь в двигателе, Вт;
   Рд – дополнительные потери, Вт. По мере увеличения мощности двигателей их номинальный КПД растет.

4.5. Коэффициент мощности cosφ.

   Потребление асинхронными двигателями реактивной мощности из сети вызывает отставание по фазе статорного тока от напряжения питания, поэтому его cosφ всегда меньше единицы.
   Низкий cosφ ухудшает условия работы генераторов, трансформаторов, линий передачи и других частей энергоснабжающих установок.
   Величина cosφ зависит от свойств и условий работы приемников электрической энергии и может быть определена как отношение полезной мощности двигателя к мощности, потребляемой из сети.
   Причиной понижения cosφ является недогрузка, т. е. слабое использование асинхронных двигателей, что всецело связано с условиями работы приводимых в движение агрегатов и машин. Повышение степени загрузки оборудования помимо всех других технико-экономических преимуществ дает коренное улучшение и в отношении коэффициента мощности энергетических установок.
   Номинальный cosφ, соответствующий номинальной нагрузке двигателей, при прочих равных условиях растет с увеличением мощности двигателей.
   Зависимость cosφ = f(P) определяется тем, что в асинхронном электродвигателе ток статора I1 имеет индуктивную составляющую, необходимую для создания магнитного поля статора, поэтому его cosφ всегда меньше единицы.
   Наименьшее значение cosφ соответствует режиму холостого хода и обычно не превышает 0,2. При увеличении нагрузки на вал электродвигателя коэффициент мощности возрастает, достигая наибольшей величины (0,8 ...0,9) при нагрузке, близкой к номинальной. Дальнейшее увеличение нагрузки сопровождается уменьшением cosφ, что объясняется увеличением индуктивного сопротивления ротора за счет увеличения скольжения.

   В целях повышения коэффициента мощности асинхронных электродвигателей чрезвычайно важно, чтобы электродвигатель работал всегда или, по крайней мере, значительную часть времени с номинальной нагрузкой. Это можно обеспечить лишь при правильном выборе мощности электродвигателя. Иногда асинхронные двигатели должны длительное время работать со значительно пониженной нагрузкой.
&   Если двигатели работают при полной нагрузке с соединением обмотки статора в треугольник, то в периоды пониженных нагрузок бывает рациональным переключение на соединение в звезду, т. е. уменьшение фазного напряжения U1 и ЭДС Е1 в √3 раз. Соответственно этому уменьшается магнитный поток, а также намагничивающий реактивный ток.

Рис. 4.10. Зависимость коэффициента мощности cosφ от величины полезной нагрузки Р.
1 - соединение обмотки в звезду, 2 - соединение обмотки в треугольник.

   С другой стороны, при пониженной нагрузке двигателя произведение фазного напряжения на активный ток должно остаться постоянным, что при уменьшении напряжения означает увеличение активного тока. Такое увеличение одновременно с уменьшением реактивной составляющей тока приводит к значительному увеличению cosφ (рис. 4.10). Величина воздушного зазора между ротором и статором существенно влияет на величину реактивной мощности.

4.6. Рабочие характеристики асинхронного электродвигателя.

   Рабочие характеристики асинхронного двигателя представляют собой зависимости частоты вращения n, коэффициента полезного действия η, полезного момента М, коэффициента мощности cosφ, величины тока I1 от полезной мощности Р при U1 = const и f = const. На рис. 4.11 представлено семейство рабочих характеристик асинхронного двигателя. Рассмотрим некоторые из них. Скоростная характеристика n = f(P). Согласно выражению (4.13):

s = Pоб2 / Р' (4.15)

   т.е. скольжение ротора электродвигателя, а следовательно, его частота вращения определяются отношением электрических потерь в роторе Роб2 к электромагнитной мощности Р'. При холостом ходе потери Роб2 пренебрежимо малы по сравнению с мощностью Р', поэтому здесь s ≈ 0 и n1 ≈ n. По мере увеличения нагрузки согласно выражению (4.13) растет Роб2, достигая значений 0,01...0,06 при номинальной нагрузке. В соответствии с этим зависимость n = f(P) представляет собой кривую, слабо наклоненную к оси абсцисс. Однако при увеличении активного сопротивления ротора угол наклона этой кривой увеличивается, т.е. возрастает изменение частоты вращения ротора n при колебаниях нагрузки Р. Объясняется это тем, что с увеличением сопротивления ротора электрические потери в роторе Роб2 возрастают.

Рис. 4.11. Рабочие характеристики асинхронного двигателя.

   Нагрузочная характеристика M = f(P). Зависимость полезного момента М на валу электродвигателя от полезной мощности Р определяется по выражению:

M = P / ω2 = 60P / 2πn (4.16)

   Из выражения (4.16) следует, что если частота вращения двигателя остается постоянной, то при изменении нагрузки график M = f(P) имеет вид прямой. Но с увеличением Р частота вращения асинхронного двигателя уменьшается, поэтому полезный момент М возрастает быстрее, чем Р, вследствие чего зависимость М = f(P) имеет нелинейный характер.

4.7. Коллекторные машины переменного тока.

   Стремление получить электродвигатель, имеющий хорошие регулировочные свойства и работающий от сети переменного тока, обусловило создание коллекторных двигателей переменного тока. Коллекторный двигатель постоянного тока в принципе может работать от сети переменного тока, так как в этом случае изменение направления тока в обмотке якоря и в обмотке возбуждения происходит одновременно. Также одновременно происходит изменение направления тока якоря Iя и магнитного потока возбуждения Ф. В итоге среднее значение электромагнитного момента за период остается положительным. Такие электродвигатели могут быть однофазными или трехфазными.

   Однофазные коллекторные двигатели переменного тока преимущественно имеют последовательное возбуждение. Ток якоря и магнитный поток возбуждения у них совпадают по фазе, поэтому среднее значение электромагнитного момента в двигателе последовательного возбуждения больше, чем в двигателе параллельного возбуждения. По своей конструкции однофазные коллекторные двигатели переменного тока отличаются от электродвигателей постоянного тока тем, что их станина и главные полюсы делаются шихтованными из листовой электротехнической стали, а обмотки якоря исполняются в «елочку». Такая технология позволяет сократить магнитные потери, которые при работе электродвигателя от сети переменного тока повышаются, поскольку переменный ток в обмотке возбуждения вызывает перемагничивание всей магнитной системы машины, включая станину и сердечники полюсов.

   Основным недостатком однофазных коллекторных двигателей являются тяжелые условия коммутации, обусловленные тем, что в коммутируемых секциях помимо реактивной ЭДС ер и ЭДС в обмотке якоря Ея наводится трансформаторная ЭДС ет. Возникновение трансформаторной ЭДС объясняется тем, что переменный ток в обмотке возбуждения создает переменный магнитный поток, который пронизывает коммутируемые секции и индуцирует в них ЭДС. Для уменьшения трансформаторной ЭДС необходимо уменьшить магнитный поток Фмах. Чтобы мощность электродвигателя при этом осталась прежней, увеличивают число полюсов или применяют одновитковые секции, хотя это приводит к росту числа коллекторных пластин. При помощи добавочных полюсов с обмоткой, включенной в цепь якоря, в коммутируемых секциях создают ЭДС ек, частично компенсирующую ер и ет. Однако полной компенсации указанных ЭДС можно добиться только при определенных значениях тока якоря и его частоты вращения. При других режимах работы электродвигателя условия коммутации остаются тяжелыми. В момент пуска электродвигателя условия коммутации наиболее тяжелы, так как в этот момент противо ЭДС равна нулю, а ЭДС ер и ет достигают наибольших значений. Регулировать частоту и направление вращения ротора однофазного коллекторного двигателя можно теми же способами, что и в двигателях постоянного тока последовательного возбуждения.

   Однофазные коллекторные электродвигатели малой мощности (до 500 Вт) не имеют ни компенсационной обмотки, ни добавочных полюсов. Эти двигатели могут работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока, поэтому их называют универсальными коллекторными электродвигателями. Рассматриваемые коллекторные электродвигатели широко используются в электроинструментах различного назначения.

<<< | ОГЛАВЛЕНИЕ | >>>