Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Устройство и принцип действия машинного генератора



Энергетическая диаграмма генератора

 

Энергетическая диаграмма генератора – это изображение преобразования в нём энергии. При работе генератора, как показано выше, часть потребляемой им энергии теряется бесполезно и рассеивается в виде тепла. Потерянную энергию в единицу времени называют потерями мощности (или потерями). В генераторе есть три пути
потерь энергии: в механической системе, в электрических цепях, в магнитопроводе якоря.

Механические потери ( DРмх ):

– потери на трение в подшипниках (DРподш);

– потери на трение между щётками и коллектором (DРщет);

– потери на трение о воздух и вентиляцию (DРвент).

DРмх = DРподш + DРщет + DРвент. (6.6)

Электрические потери ( DРэл ):

– потери в проводниках обмотки возбуждения в результате теплового действия протекающего в ней тока (DРв);

– потери в проводниках обмотки якоря в результате теплового действия протекающего в ней тока (DРя);

– потери в щётках и коллекторе в результате теплового действия протекающего в них тока (DРщ).

DРэл = DРв + DРя + DРщ = RвI2в + RяI2я + Rщ I2я, (6.7)

где Rв – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

Iв – сила тока в обмотке возбуждения, А;

Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом;

Iя – сила тока в обмотке якоря, А;

Rщ – сопротивление щёточных контактов, В.

Потери в магнитопроводе ( DРмг ):

– потери в магнитопроводе якоря в результате теплового действия протекающих в нём вихревых токов (DРвх);

– потери в магнитопроводе якоря в результате теплового действия гистерезиса (DРг).

DРмг = DРвх + DРг. (6.8)

Добавочные потери (DРд) возникают в генераторе в результате других не учтённых явлений.

Следовательно, суммарные потери ( DРS ) при работе генератора равны:

DРS = DРмх + DРэл + DРмг + DРд. (6.9)

Таким образом, энергетическая диаграмма генератора имеет следующий вид (рис.6.3).

 
 

 


Механическая мощность на валу генератора равна:

Рмх = Мw, (6.10)

где М – механический момент на валу генератора, Н× м;

w – угловая скорость вращения вала генератора, рад/с.

Электрическая мощность, отдаваемая генератором нагрузке, равна:

Рэл = RнагрI2, (6.11)

где Rнагр – эквивалентное сопротивление нагрузки, Ом;

I – сила тока, потребляемого нагрузкой, А.

В другом виде:

Рэл = Рмх – DРS. (6.12)

Коэффициент полезного действия генератора равен:

. (6.13)

Вопросы для самоконтроля

1. Составьте энергетическую диаграмму генератора постоянного тока
с расшифровкой буквенных обозначений.

2. Запишите и расшифруйте уравнение механических потерь.

3. Запишите и расшифруйте уравнение электрических потерь.

4. Запишите и расшифруйте уравнение потерь в магнитопроводе якоря.

5. Какие ещё виды потерь возникают в генераторе постоянного тока?

6. Запишите и расшифруйте формулу механической мощности
на валу генератора постоянного тока.

7. Запишите и расшифруйте формулу электрической мощности,
отдаваемой генератором постоянного тока в сеть.

8. Как определить коэффициент полезного действия
генератора постоянного тока?

Расчётная схема генератора

 

В соответствии с физическими явлениями и процессами в обмотке возбуждения
и в обмотке якоря расчётная схема генератора с самовозбуждением (с параллельным
возбуждением) имеет следующий вид (рис.6.4).

На расчётной схеме (рис.6.4) приведены следующие обозначения:

Rв – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

Lв – индуктивность обмотки возбуждения, Гн;

Iв – сила тока в обмотке возбуждения, А;

Е – э.д.с., наводимая в обмотке якоря, В;

Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом;

Lя – индуктивность обмотки якоря, Гн;

Iя – сила тока в обмотке якоря, А;

I – сила тока нагрузки, А;

U – напряжение на зажимах генератора, В.

 

Вопрос для самоконтроля

1. Составьте расчётную схему генератора постоянного тока
параллельного возбуждения и расшифруйте буквенные обозначения.

 

Пример 6.1

К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 7, 0 кВт. Генератор развивает
электродвижущую силу равную 300 В. Сопротивление обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 1, 5 Ом. Сопротивление цепи возбуждения генератора равно 270 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 270 В.

К генератору подключена нагрузка сопротивлением 13, 5 Ом с помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 1, 5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора
составляют 3, 0 % от подводимой к валу мощности. Добавочные потери составляют 0, 1 % от подводимой к валу мощности.

Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.

Определить: силу тока в якорной цепи; мощность, развиваемую генератором; потери мощности в обмотке якоря; силу тока в цепи возбуждения; потери мощности в цепи возбуждения; потери мощности в механической системе; потери мощности в магнитопроводе;
суммарные потери мощности в генераторе; мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки); электрический коэффициент полезного действия генератора; коэффициент полезного действия генератора как электромеханического преобразователя; электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч.

Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.

Решение.

1. Составляем расчётную схему, состоящую из якорной цепи и цепи возбуждения:

 
 

 


2. Определяем силу тока в якорной цепи:

.

3. Определяем мощность, развиваемую генератором:

.

4. Определяем потери мощности в обмотке якоря:

.

5. Определяем силу тока в цепи возбуждения:

.

6. Определяем потери мощности в цепи возбуждения:

.

7. Определяем потери мощности в механической системе:

.

8. Определяем потери мощности в магнитопроводе:

.

9. Определяем добавочные потери мощности в генераторе:

.

10. Определяем суммарные потери мощности в генераторе:

.

11. Определяем мощность, отдаваемую генератором в сеть (мощность нагрузки):

.

12. Определяем электрический коэффициент полезного действия генератора:

.

13. Определяем коэффициент полезного действия генератора

как электромеханического преобразователя:

.

14. Определяем электроэнергию, которую потребит нагрузка за 100 ч:

.

15. Рассчитываем и строим внешнюю характеристику генератора:

U = Е RяIя = 300 – 1, 5× Iя.

U, В
Iя, А

 

Вопросы для самоконтроля

1. Составьте принципиальную электрическую схему управления генератором
постоянного тока параллельного возбуждения.

2. Поясните, как регулируется напряжение на зажимах генератора
при изменении нагрузки, используя внешнюю характеристику генератора
и принципиальную схему управления.

Задания для самоконтроля

К генератору постоянного тока независимого возбуждения при неизменной угловой скорости подводится механическая мощность равная 5, 0 кВт.
Генератор развивает электродвижущую силу равную 240 В. Сопротивление
обмотки якоря генератора (включая сопротивление щёток) равно 0, 5 Ом.
Сопротивление цепи возбуждения равно 220 Ом. На зажимы цепи возбуждения подаётся напряжение равное 220 В.

К генератору подключена нагрузка сопротивлением 11, 5 Ом с помощью идеальной линии электропередачи. Потери мощности в механической системе генератора составляют 0, 5 % от подводимой к валу мощности. Потери мощности в магнитопроводе генератора составляют 1, 0 % от подводимой к валу мощности. Добавочные потери мощности в генераторе составляют 0, 2 % от подводимой к валу мощности.

1. Составить расчётные схемы якорной цепи с нагрузкой и цепи возбуждения.

2. Определить силу тока в якорной цепи.

3. Определить мощность, развиваемую генератором.

4. Определить потери мощности в обмотке якоря.

5. Определить силу тока в обмотке возбуждения.

6. Определить потери мощности в обмотке возбуждения

7. Определить потери мощности в механической системе.

8. Определить потери мощности в магнитопроводе.

9. Определить добавочные потери мощности в генераторе.

10. Определить суммарные потери мощности в генераторе.

11. Определить мощность, отдаваемую генератором в сеть
(мощность нагрузки).

12. Определить электрический коэффициент полезного действия генератора.

13. Определить коэффициент полезного действия генератора
как электромеханического преобразователя.

14. Построить в масштабе по двум точкам внешнюю характеристику генератора.

15. Определить напряжение на зажимах генератора
при силе тока в якорной цепи равной 10 А.

16. Определить электроэнергию, которую потребит нагрузка за 10 ч.

Пример 6.2

Якорь электродвигателя вращается со скоростью 1000 об/мин. К электродвигателю подведено напряжение 200 В. Электродвигатель потребляет ток силой 5 А. Коэффициент полезного действия электродвигателя равен 89%.

Определить мощность на валу и вращающий момент электродвигателя.

Решение.

1. Определяем мощность на валу электродвигателя:

.

2. Определяем угловую скорость вращения вала электродвигателя:

.

3. Определяем вращающий момент электродвигателя:

.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Составьте энергетическую диаграмму двигателя постоянного тока
с расшифровкой буквенных обозначений.

2. Запишите и расшифруйте уравнение механических потерь.

3. Запишите и расшифруйте уравнение электрических потерь.

4. Запишите и расшифруйте уравнение потерь в магнитопроводе якоря.

5. Какие ещё виды потерь возникают в двигателе постоянного тока?

6. Запишите и расшифруйте выражение момента,
развиваемого электродвигателем постоянного тока.

7. Запишите и расшифруйте выражение механической мощности
на валу электродвигателя постоянного тока.

8. Запишите и расшифруйте выражение электрической мощности,
потребляемой электродвигателем постоянного тока.

9. Как определить коэффициент полезного действия двигателя постоянного тока?

 

Расчётная схема двигателя

 

В соответствии с физическими явлениями и процессами, протекающими в электродвигателе, его расчётная схема имеет следующий вид (рис.6.8).

На расчётной схеме (рис.6.8) приведены следующие обозначения:

Rв – сопротивление обмотки возбуждения, Ом;

Lв – индуктивность обмотки возбуждения, Гн;

Iв – сила тока в обмотке возбуждения, А;

Е – э.д.с., наводимая в обмотке якоря, В;

Rя – сопротивление обмотки якоря, Ом;

Lя – индуктивность обмотки якоря, Гн;

Iя – сила тока в обмотке якоря, А;

U – напряжение на зажимах электродвигателя, В.

 

Вопрос для самоконтроля

1. Составьте расчётную схему двигателя постоянного тока
параллельного возбуждения и расшифруйте буквенные обозначения.

 

Пример 6.3

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, который имеет номинальную мощность 2, 2 кВт, номинальную частоту вращения 1500 об/мин, номинальное напряжение 110 В, номинальный коэффициент полезного действия равный 85%,
подключён к сети постоянного тока напряжением 110 В. Сопротивление обмотки якоря двигателя (включая сопротивление щёток) равно 0, 5 Ом; сопротивление обмотки возбуждения равно 55 Ом.

Составить принципиальную электрическую схему управления электродвигателем; расчётную схему якорной цепи и цепи возбуждения.

Определить: мощность, потребляемую электродвигателем из сети при номинальной нагрузке; номинальный ток электродвигателя; ток в обмотке возбуждения; номинальный ток цепи якоря электродвигателя; пусковой ток цепи якоря электродвигателя; значение пускового сопротивления, которое обеспечивает пусковой ток цепи якоря, равный номинальному
току якоря; суммарные потери мощности в электродвигателе.

Решение.

1. Принципиальная электрическая схема управления

электродвигателем приведена на рис.6.10.

Составляем расчётную схему, состоящую из якорной цепи и цепи возбуждения:

 

2. Определяем мощность, потребляемую электродвигателем из сети

при номинальной нагрузке:

.

3. Определяем номинальный ток электродвигателя:

.

4. Определяем ток в обмотке возбуждения электродвигателя:

.

5. Определяем номинальный ток в цепи якоря электродвигателя:

; .

6. Определяем пусковой ток в цепи якоря электродвигателя
при выведенном пусковом реостате:

.

7. Определяем значение пускового сопротивления,

которое обеспечивает пусковой ток в цепи якоря, равный номинальному току якоря:

; ;

.

8. Определяем суммарные потери мощности в электродвигателе:

.

 

Вопросы для самоконтроля

1. Составить принципиальную электрическую схему управления двигателем
постоянного тока параллельного возбуждения.

2. Пояснить, как запустить двигатель постоянного тока,
используя скоростную характеристику двигателя и
принципиальную схему управления.

3. Пояснить, как изменить направление вращения вала двигателя постоянного тока,
используя скоростную характеристику двигателя и
принципиальную схему управления.

4. Пояснить, как регулируется скорость вала двигателя постоянного тока,
используя скоростную характеристику двигателя и
принципиальную схему управления.

 

Задания для самоконтроля

Якорь электродвигателя вращается со скоростью 1500 об/мин. К электродвигателю подведено напряжение 220 В. Электродвигатель потребляет ток силой 10 А. Коэффициент полезного действия электродвигателя равен 87 %.

1. Определить мощность на валу электродвигателя.

2. Определить вращающий момент электродвигателя.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением,
который имеет номинальную мощность 4, 0 кВт, номинальную частоту вращения 1000 об/мин, номинальное напряжение 220 В, номинальный коэффициент
полезного действия 85 %, подключён к сети постоянного тока напряжением 220 В. Сопротивление обмотки якоря двигателя (включая сопротивление
щёток) равно 1 Ом; сопротивление обмотки возбуждения равно 110 Ом.

3. Составить принципиальную электрическую схему
управления электродвигателем.

4. Составить расчётную схему якорной цепи и цепи возбуждения.

5. Рассчитать мощность, потребляемую электродвигателем из сети
при номинальной нагрузке.

6. Рассчитать номинальный ток электродвигателя.

7. Рассчитать ток в обмотке возбуждения.

8. Рассчитать номинальный ток цепи якоря электродвигателя.

9. Рассчитать пусковой ток цепи якоря электродвигателя.

10. Рассчитать значение пускового сопротивления, которое обеспечивает
пусковой ток цепи якоря, равный номинальному току якоря.

11. Определить суммарные потери мощности в электродвигателе.

 

Принципиальная электрическая схема управления двигателем постоянного тока параллельного возбуждения приведена на рисунке.

 

12. Как изменится направление вращения якоря электродвигателя,
если поменять местами соединительные провода, идущие к зажимам Ш1 и Ш2?
Своё решение обосновать.

13. Как изменится направление вращения якоря электродвигателя,
если поменять местами соединительные провода, идущие к зажимам Я1 и Я2?
Своё решение обосновать.

14. Как изменится направление вращения якоря электродвигателя,
если одновременно поменять местами соединительные провода,
идущие к зажимам Ш1 и Ш2 и Я1 и Я2?
Своё решение обосновать.

15. Как изменится скорость вращения якоря электродвигателя,
если при его работе частично ввести реостат РП?

16. Что необходимо сделать с реостатом РВ,
чтобы восстановить прежнее значение скорости?

17. В каком положении должны находятся реостаты РП и РВ
при пуске электродвигателя и почему?

 

 

Устройство и принцип действия машинного генератора

Электрическая машина, в которой механическая энергия вращающегося вала преобразуется в электрическую энергию, называется генератором. Работа
генератора основана на явлении электромагнетизма и явлении электромагнитной
индукции.

Явление электромагнетизма заключается в том, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Закон электромагнетизма: потокосцепление (произведение числа витков катушки на пронизывающий их магнитный поток) прямо пропорционально индуктивности катушки и силе тока, протекающего в катушке:

y == LI. (6.1)

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в проводящем контуре, который пронизывается переменным магнитным полем, индуктируется э.д.с. Закон электромагнитной индукции: значение э.д.с., индуктируемой в контуре, прямо пропорционально числу витков и скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур:

. (6.2)

Элементами конструкции простейшего генератора являются виток (проводящий контур) и индуктор, создающий магнитное поле . Рассмотрим принцип действия генератора постоянного тока на его конструктивной схеме (рис.6.1). В магнитном поле постоянных магнитов (N – S) помещён виток, укреплённый на оси. К двум концам витка прикреплены металлические
полукольца, на которые накладываются щётки (скользящие контакты, к которым подключается нагрузка Rнагр ). При вращении данного витка с угловой скоростью w возникает явление электромагнитной индукции и в нём индуктируется э.д.с. При подключении к нему нагрузки в витке будет протекать электрический ток I.

Направление индуктируемой электродвижущей силы определяется по правилу «правой руки» : если расположить правую руку так, чтобы силовые линии
магнитного поля входили в ладонь, а большой отогнутый палец совпадал с
направлением движения витка, то четыре пальца будут показывать направление индуктируемой в витке электродвижущей силы
. Значение электродвижущей силы, которая индуктируется в сторонах витка, равно:

е = Вlv sin a, (6.3)

где е – мгновенное значение э.д.с., которая индуктируется в стороне витка, В;

В – магнитная индукция поля, Тл;

l – длина одной стороны витка, м;

v – линейная скорость витка, м/с;

a – угол поворота витка относительно горизонтали, град.

Электродвижущая сила, которая индуктируется в витке, изменяется во времени по синусоидальному закону и создаёт разность потенциалов на концах витка. Знаки потенциалов на концах витка (положительный, отрицательный) через половину
оборота тоже изменятся, так как изменится направление э.д.с., индуктируемой в сторонах витка. Однако знаки потенциалов щёток изменяться не будут. Это объясняется тем, что при вращении витка они неподвижны и всегда подключены к стороне витка, на конце которой потенциал одинакового знака (то есть э.д.с. в стороне витка направлена в одну и ту же сторону). Благодаря скользящему контакту на одной щётке получается положительный потенциал, а на другой – отрицательный. Щётки крепятся в щёткодержателе, который установлен на корпусе генератора. К щёткам генератора подключается приёмник электроэнергии.

Таким образом, конструкция генератора следующая: индуктор (неподвижная часть), который создаёт магнитное поле и якорь (вращающая часть), в котором
наводится э.д.с. Они отделены друг от друга минимальным воздушным зазором.

Индуктор представляет собой катушку индуктивности, укреплённую на полюсах генератора. Начала обмотки возбуждения (катушки индуктивности на индукторе) выводят на клемную коробку и обозначают буквами Ш1 и Ш2. Магнитопровод с полюсами генератора изготовляют из ферромагнитного материала и крепят к чугунному корпусу с помощью болтов и изолирующих прокладок. К полюсам крепят полюсные наконечники в виде полуокружностей для улучшения распределения магнитного потока в воздушном зазоре генератора.

Якорь генератора имеет форму цилиндра, расположенного на валу. Его магнитопровод выполняют из ферромагнитного материала и укрепляют на валу генератора. На вал генератора устанавливают подшипники, которые запрессовывают в подшипниковые щиты. Эти подшипниковые щиты, служащие опорой для вала генератора, крепят к корпусу генератора. Якорная обмотка, которую укладывают в пазы магнитопровода якоря генератора, состоит из нескольких витков, каждый из которых подключают к отдельной коллекторной пластине. Коллекторные пластины изолированы друг от друга и от вала генератора. На коллекторные пластины накладывают щётки, зажимы которых выводят на клемную коробку и обозначают буквами Я1 и Я2. Совокупность таких коллекторных пластин, позволяющих при наличии переменной э.д.с. в якорной обмотке получать постоянную полярность щёток, называют коллектором. Напряжение с коллектора снимается с помощью щёточного механизма. Следовательно, назначение коллектора и щёточного механизма у генератора – это выпрямление электродвижущей силы (то есть преобразование переменной э.д.с. в постоянную э.д.с.).

Выпрямленная электродвижущая сила является пульсирующей, то есть изменяется по удвоенному синусоидальному закону при сохранении знака (рис.6.2а). С увеличением количества коллекторных пластин пульсация э.д.с. уменьшается (рис.6.2б:
ерез – результирующая э.д.с. между щётками; е1 – э.д.с., индуктируемая в первом
полувитке обмотки якоря; е2 – э.д.с., индуктируемая во втором полувитке обмотки якоря):

. (6.4)

 

 

       
 
а
 
б

 


Среднее значение этой выпрямленной электродвижущей силы, которая действует между щётками, определяется следующим выражением:

, (6.5)

где k – коэффициент;

Ф – магнитный поток полюсов генератора, Вб;

w – угловая скорость вращения вала генератора, рад/с.

Обмотка возбуждения и обмотка якоря могут включаться независимо друг от друга, тогда у генератора будет независимое возбуждение (зажимы Н1 и Н2
подключают к стороннему источнику постоянной э.д.с., а к зажимам Я1 и Я2
подключают нагрузку).

У генератора будет самовозбуждение, если разность потенциалов на зажимах обмотки возбуждения создаётся индуктируемой в обмотке якоря э.д.с. В этом случае при подключении обмотки возбуждения параллельно обмотке якоря у генератора будет параллельное возбуждение (Ш1 к Я1, Ш2 к Я2, при этом к зажимам Я1 и Я2 подключают нагрузку). Существуют также последовательное и смешанное возбуждение.

 

Вопросы для самоконтроля

1. В чём суть явления электромагнетизма?

2. Сформулируйте закон электромагнетизма.

3. Запишите математически и расшифруйте закон электромагнетизма.

4. В чём суть явления электромагнитной индукции?

5. Сформулируйте закон электромагнитной индукции.

6. Запишите математически и расшифруйте закон электромагнитной индукции.

7. Какая электрическая машина называется генератором постоянного тока?

8. Составьте и опишите конструктивную схему генератора постоянного тока.

9. Опишите принцип действия генератора постоянного тока.

10. Каково назначение коллектора и щёточного механизма?

11. Сформулируйте правило «правой руки».

12. Как определить электродвижущую силу, которую развивает генератор?

13. Что такое независимое возбуждение генератора постоянного тока?

14. Что такое самовозбуждение генератора постоянного тока?

 

6.2. Физические явления и процессы
в элементах конструкции генератора

 

При вращении якоря в магнитном поле индуктора (то есть при работе генератора) в элементах конструкции генератора наблюдаются следующие физические явления и процессы.

В индукторе:

явление электрического тока в обмотке возбуждения;

явление электромагнетизма в обмотке возбуждения;

явление теплового действия тока в обмотке возбуждения;

– процесс нагрева обмотки возбуждения.

В якоре:

явление электромагнитной индукции в обмотке якоря;

явление электрического тока в обмотке якоря;

явление электромагнитной силы от действия тока в обмотке якоря;

явление электромагнетизма в обмотке якоря;

явление теплового действия тока в обмотке якоря;

– процесс нагрева обмотки якоря;

явление электромагнитной индукции в магнитопроводе якоря;

явление вихревых токов в магнитопроводе якоря;

явление электромагнитной силы от действия вихревых токов;

явление теплового действия вихревых токов в магнитопроводе якоря;

явление гистерезиса магнитопровода якоря;

явление электромагнитной силы от гистерезиса;

явление теплового действия гистерезиса магнитопровода якоря;

– процесс нагрева магнитопровода якоря.

В механической системе:

явление трения в подшипниках;

явление трения между коллектором и щётками;

явление трения якоря о воздух;

– процесс нагрева механической системы.

Вопросы для самоконтроля

1. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются
в механической системе генератора постоянного тока.

2. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются
в обмотке возбуждения генератора постоянного тока.

3. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются
в обмотке якоря генератора постоянного тока.

4. Перечислите физические явления и процессы, которые наблюдаются
в магнитопроводе генератора постоянного тока.


Поделиться:



Популярное:

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-25; Просмотров: 1474; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2024 год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! (0.116 с.)
Главная | Случайная страница | Обратная связь