Лекции по "Слесарь-ремонтник"

Величины, определяющие характер изменения переменного тока, называются его параметрами. К ним относятся  период, частота и амплитуда тока.

Время, в течение которого происходит полный цикл изменений переменного  тока или одно полное колебание тока, называется периодом. Период обычно обозначается буквой Т измеряется в секундах.

Частота переменного тока - число полных колебаний тока (или  число периодов) в 1 сек. Частота переменного  тока обозначается буквой f и измеряется в герцах (Гц). Частота равна 1 Гц, если в секунду происходит одно полное колебание тока (э.д.с.). Частота, равная 1000 Гц, равна 1 кГц (килогерцу), частота, равная 1 000 000 Гц, - 1 МГц (мегагерцу).

Частота и период колебаний  являются величинами обратными,

Наибольшая величина тока за время  одного периода называется амплитудой и обычно обозначается Im. За одно полное колебание ток дважды достигает амплитудного значения: один раз при изменении в одном - положительном направлении, второй раз в противоположном - отрицательном.

Переменный ток, применяемый  в промышленности, имеет частоту f = 50 Гц и называется током промышленной частоты. Продолжительность периода такого тока 0,02 сек.

Переменные токи, частота которых соответствует частоте звуковых колебаний (примерно от 16 до 20000 Гц), называются токами звуковой частоты или токами низкой частоты.

Переменные токи с частотой в сотни тысяч, миллионы и десятки  миллионов Герц называются токами высокой частоты.

Переменные токи, частота  которых исчисляется сотнями  миллионов, тысячами миллионов и даже сотнями тысяч миллионов Герц, называются токами сверхвысокой частоты. 

   Периодические токи, изменяющиеся по синусоидальному закону, называются синусоидальными. 

         Мгновенное значение синусоидального тока определяется по формуле

где I_m - максимальное, или амплитудное, значение тока.  
Аргумент синусоидальной функции называют фазой; величину φ, равную фазе в момент времени t = 0, называют начальной фазой. Фаза измеряется в радианах или градусах.

Величину называют круговой, или угловой, частотой. Угловая частота измеряется в рад/c.

Если  у синусоидальных токов начальные  фазы при одинаковых частотах одинаковы, говорят, что эти токи совпадают по фазе. Если неодинаковы по фазе, говорят, что токи сдвинуты по фазе. Сдвиг фаз двух синусоидальных токов измеряется разностью начальных фаз

Действующим значением переменного  тока называется среднеквадратичное значение тока за период. Действующее значение тока (для синусоиды  )

.

Аналогично определяются действующие  значения ЭДС и напряжений

.

что для синусоидального характера  изменения тока соответствует

Начальное значение тока может быть слева или  справа от оси ординат. Тогда начальная фаза будет опережающей или отстающей.

 

Генераторы и электродвигатели.

Электромашинные генераторы и электродвигатели, машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.

 

Устройство генератора

1. Обмотка статора с большим  числом витков, размещенных в  его пазах. В ней наводится ЭДС.

2. Станина, внутри которой размещены статор и ротор.

3. Ротор (вращающаяся  часть генератора) создает магнитное  поле от электромашины постоянного  тока. Может иметь n пар полюсов.

4. Статор состоит из  отдельных пластин из электротехнической стали для уменьшения нагрева от вихревых токов.

5. Клеммный щиток на корпусе станины для снятия напряжения.

При равномерном вращении ротора в обмотках статора наводится  ЭДС:

, где N - число витков обмотки статора.

Частота ЭДС равна: v=np, где р - число пар полюсов, а n - число оборотов ротора в секунду.  На гидроэлектростанциях в генераторе число пар полюсов равно 40 - 50, а на тепловых - 10 -16.

Вырабатываемое напряжение в промышленных генераторах 10³ - 10⁴В.

 

 

 

 

 

Рис. 1. Генераторы переменного (а) и постоянного (в) тока и их ЭДС (б и г соответственно).

Все электрические машины вращательного  типа делятся на машины постоянного  и переменного тока.

Генераторы постоянного тока

Теория. На рис. 1,а показан виток провода abcd, вращающийся по часовой стрелке вокруг оси 00¢ в магнитном поле между северным (N) и южным (S) полюсами магнита. Направление мгновенной наведенной ЭДС показано стрелками ab и cd; величина и знак ЭДС для положений 1, 2, 3 и 4 приведены на графике рис. 1,б. Когда плоскость витка перпендикулярна полю (положения 1 и 3), ЭДС равна нулю; когда же плоскость витка параллельна полю (положения 2 и 4), ЭДС максимальна. Кроме того, направление ЭДС в боковых частях витка (скажем, ab), когда они проходят мимо северного полюса, противоположно ее направлению при прохождении мимо южного полюса. Поэтому ЭДС меняет знак через каждую половину оборота в точках 1 и 3, так что в витке генерируется переменная ЭДС и, стало быть, течет переменный ток. Если предусмотреть в конструкции токособирательные (контактные) кольца, то переменный ток пойдет во внешнюю цепь.

Конструкция. Генератор постоянного тока должен давать ток, который всегда течет в одном направлении. Для этого нужно переключать контакты внешней цепи в тот момент, когда ЭДС падает до нуля, прежде чем она начнет нарастать в другом направлении. Это делается с помощью коллектора, схематически изображенного на рис. 1,в. Он представляет собой кольцо, разрезанное на две части по диаметру. Один конец витка присоединен к одному из полуколец, другой – к другому. Щетки перекрывают зазоры между полукольцами, когда плоскость витка перпендикулярна магнитному полю (в положениях 1 и 3) и ЭДС равна нулю. Каждый раз, когда ЭДС меняет знак, переключаются концы внешней цепи, так что ток в ней течет всегда в одном направлении (рис. 1,г). Если к витку, показанному на рис. 1,в, добавить еще один, перпендикулярный ему, то его ЭДС будет соответствовать кривой bb, сдвинутой относительно первоначальной на 90° (рис. 2). Полная ЭДС будет соответствовать сумме двух кривых, т.е. значительно более гладкой кривой e. На практике используется большое число витков и коллекторных сегментов так что пульсации ЭДС незаметны.

 

Рис. 2. ДВА ВРАЩАЮЩИХСЯ  ВИТКА дают кривую тока е, равную сумме тока ааа, даваемого одним витком, и тока bbb, даваемого другим витком, перпендикулярным первому.

 

Электродвигатели постоянного тока

Генераторы постоянного тока удовлетворительно  работают как двигатели и при  тех же номинальных параметрах не требуют изменений в конструкции. Например, генератор с параллельным возбуждением, рассчитанный на 10 кВт и 230 В, будет вполне удовлетворительно работать как электродвигатель мощностью 10 кВт при напряжении 230 В и той же частоте вращения. Генератор со смешанным возбуждением работает как электродвигатель с возбуждением того же типа, но для этого последовательную обмотку возбуждения нужно переключить наоборот, чтобы она помогала параллельной. Генераторы с последовательным возбуждением применяются редко, но двигатель с последовательным возбуждением применяется часто, особенно как тяговый в городском электрическом транспорте.

У двигателя постоянного тока вращающий момент практически постоянен. Якорь двигателя постоянного тока находится в магнитном поле между двумя полюсами магнита. Вращающий момент, действующий на якорь, пропорционален напряженности магнитного поля и току в обмотке якоря. Момент на выходном валу двигателя меньше теоретического значения, т.к. часть его затрачивается на преодоление трения, а часть теряется из-за вихревых токов и гистерезиса в железе якоря.

Применение. Двигатели постоянного тока имеют хорошие рабочие характеристики: широкий диапазон регулирования частоты вращения, возможность задания фиксированных частот вращения, быстрые разгон и торможение, постоянный вращающий момент и пригодность для автоматического регулирования, благодаря чему они находят все более широкое применение.

Во многих непрерывных технологических  процессах требуется подавать, причем часто на большой скорости, лист или ленту материала (бумаги, резины, стали) на вход машины или группы машин. В таких условиях необходимо быстро и точно регулировать натяжение листа. Автоматические регуляторы приводов постоянного тока, переключая токи и напряжения, почти мгновенно изменяют частоту вращения двигателей постоянного тока.

Синхронные генераторы переменного тока

В витке провода, вращающемся в постоянном магнитном поле, наводится переменная ЭДС. Не имеет значения, вращается ли виток в неподвижном магнитном поле или виток неподвижен, а вращается поле, – необходимо лишь их относительное вращение. В синхронных машинах частота вращения пропорциональна частоте переменного тока.

Конструкция. В синхронных генераторах обмотку якоря (т.е. ту обмотку, в которой индуцируется ЭДС) обычно делают неподвижной (и называют обмоткой статора), а обмотку возбуждения – вращающейся (и называют обмоткой индуктора), причем машины с иным расположением обмоток называют обращенными.

В отношении конструкции обмотки  возбуждения синхронные генераторы бывают двух типов: с явнополюсными и неявнополюсными роторами. В генераторах с явнополюсными роторами полюса, несущие обмотки возбуждения, выступают из индуктора. Генераторы такого типа рассчитаны на сравнительно низкие частоты вращения; они подходят для работы с приводом от поршневых паровых машин, дизельных двигателей, гидротурбин. Паровые и газовые турбины используются для привода синхронных генераторов с неявнополюсными роторами. Обмотки генераторов по большей части делают трехфазными, так что на выходных зажимах генератора вырабатываются три синусоидальных напряжения переменного тока, поочередно достигающих своего максимального (амплитудного) значения. Почти все мощные синхронные генераторы (и двигатели) охлаждаются водородом.

Синхронные двигатели переменного тока

Трехфазный синхронный генератор – обратимая машина, т.е. если обмотку якоря подключить к шинам трехфазного напряжения, а ротор довести до синхронной частоты вращения, то генератор будет работать как двигатель, создавая вращающий момент на валу. Синхронный двигатель почти всегда (исключение – микродвигатели) работает при многофазном питании обмоток статора, создающих вращающееся магнитное поле. Полюса ротора входят в синхронизм с полюсами статора и увлекаются ими (рис.4). Поэтому при постоянной частоте напряжения питания частота вращения синхронного двигателя постоянна.

Важное достоинство синхронного  двигателя состоит в том, что  он позволяет регулировать коэффициент мощности изменением тока возбуждения. Благодаря этой особенности синхронный двигатель представляет большую ценность с точки зрения регулирования энергетических систем. За счет реакции якоря ток, отстающий по фазе, усиливает возбуждение, а опережающий – ослабляет его. Как и в случае генератора, обе реакции противодействуют изменению возбуждения и тем самым повышают устойчивость системы. При постоянной частоте переменного тока частота вращения постоянна.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Форма ротора синхронного двигателя.

 

 

Асинхронные машины

Многофазные асинхронные  двигатели. Принцип действия многофазных асинхронных двигателей состоит в том, что при определенном сдвиге по фазе между многофазными токами в многофазных обмотках они создают вращающееся магнитное поле. Такие многофазные обмотки располагают в пазах на внутренней поверхности статора, набранного из тонких кольцевых пластин, стянутых по оси.

Ротор многофазного асинхронного двигателя  выполняется в виде шихтованного цилиндрического якоря, набранного из тонких кольцевых пластин с осевыми пазами. Существуют обмотки ротора двух видов: короткозамкнутая и фазная.

Короткозамкнутая обмотка выполняется  либо из медных стержней, заложенных в  пазы и припаянных на концах к массивным  торцевым кольцам, замыкающим их накоротко, либо из алюминиевых проводников в пазах и концевых колец, отлитых непосредственно в сердечнике, помещенном в форму.

Фазная обмотка состоит из отдельных  обмоток для всех фаз, вложенных  в пазы ротора, с выводами на токосборные  кольца. Щетки позволяют вводить  в цепь ротора сопротивление для увеличения пускового момента, а иногда и для регулировки частоты вращения.

Механическая характеристика.

Двигатели с фазными роторами используются в тех случаях, когда требуются  большие пусковые моменты, например, в электровозах и подъемниках, а также тогда, когда желательно регулирование частоты вращения.

Однако у асинхронных двигателей, используемых в приводах железнодорожных  локомотивов, имеется то очень важное преимущество, что при движении под уклон они превращаются в генераторы и возвращают электроэнергию в линию за счет торможения. В лифтах и шахтных подъемниках благодаря переходу двигателей в режим генератора обеспечивается динамическое торможение, а тем самым плавное замедление оборудования и экономия на износе механических тормозов.

 

11. Трехфазный электрический ток.

Трёхфазная система электроснабжения — частный случай многофазных систем электрических цепей, в которых действуют созданные общим источником синусоидальные ЭДС одинаковой частоты, сдвинутые друг относительно друга во времени на определённый фазовый угол. Таким образом, каждая такая ЭДС находится в своей фазе периодического процесса, поэтому часто называется просто фазой. Также «фазами» называют проводники — носители этих ЭДС.