Министерство образования и науки

Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный

горный университет»

В. Н. Полузадов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Учебное пособие

по дисциплине и контрольные задания

для студентов специализаций 130 400 – «Электрификация и автоматизация горного производства» и «Горные машины и оборудование» ( специалисты ) и 140 400 - «Электропривод и автоматика» ( бакалавры ) Екатеринбург 2012 0 Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

Уральский государственный горный университет ОДОБРЕНО:

Методической комиссией Горно-механического факультета «_» 2012г.

Председатель комиссии проф. В.П. Барановский В.Н. Полузадов

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Учебное пособие по дисциплине и контрольные задания для студентов специализаций 130 400 – «Электрификация и автоматизация горного производства» и «Горные машины и оборудование» ( специалисты ) и 140 400 - «Электропривод и автоматика» ( бакалавры ) Издание УГГУ Екатеринбург, П В. Н. Полузадов П53 Электрические машины: учебное пособие по дисциплине и контрольные задания для студентов специализаций 130 400 - «Электрификация и автоматизация горного производства» и «Горные машины и оборудование»

(специалисты) и 140 400 - «Электропривод и автоматика» (бакалавры).

Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2012. 69 с.

В пособии приведены содержание дисциплины «Электрические машины»

и вопросы и задания для самоконтроля, даны советы по эффективному изучению дисциплины, изложены объем курсового проекта и требования по его оформлению и приведены условия задач контрольного задания.

Пособие предназначено для студентов специализаций 130 400. - «Электрификация и автоматизация горного производства» и «Горные машины и оборудование» (специалисты) и 140 400. - «Электропривод и автоматика» (бакалавры).

Пособие рассмотрено на заседании кафедры электротехники 13.01.2012 г.

(протокол № 5) и рекомендовано для издания в УГГУ.

Рецензент: Елисеев В. В., канд.техн. наук, доцент кафедры ЭГП УГГУ.

Полузадов В. Н. Уральский государственный горный университет,

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ

Цель преподавания дисциплины 1.1.

Целью преподавания дисциплины «Электрические машины» является формирование у студентов прочных знаний об общих принципах построения и законах функционирования электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии, о современных тенденциях развития электромашиностроения, об основных методах расчета, конструирования и экспериментальных исследований электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии; привитие студентам твердых практических навыков самостоятельного решения инженерных задач в области разработки и эксплуатации электромеханического оборудования.

1.2. Задачи изучения дисциплины В процессе изучения дисциплины «Электрические машины» студент должен приобрести следующие знания и умения, необходимые горному инженеру-электромеханику в практической работе по созданию и эксплуатации горных автоматизированных электроприводов и установок.

Студент, изучивший дисциплину «Электрические машины», должен знать:

- основные законы электромагнитного и электромеханического преобразования энергии;

- математическое описание процессов, протекающих в электромагнитных и электромеханических преобразователях энергии при их функционировании;

- принцип действия, устройство, основные характеристики, преимущества и недостатки, область применения электрических машин различных типов;

- основные методы экспериментального исследования электрических машин;

- инженерные методы расчета и конструирования конкретных типов электрических машин.

Изучив дисциплину «Электрические машины», студент должен уметь:

- самостоятельно проводить экспериментальные исследования электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии;

- рассчитывать необходимые параметры электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии по экспериментальным данным;

- рассчитывать конкретные типы электрических машин с использованием инженерных методик;

- выбирать и обосновывать тип электрической машины для конкретного горного оборудования;

- осваивать самостоятельно по специальной литературе разделы из области теории, экспериментальных исследований и эксплуатации электрических машин, не изученные в вузе.

Перечень дисциплин с указанием разделов (тем), усвоение которых 1.3.

Для успешного изучения дисциплины «Электрические машины» необходимы знания соответствующих разделов дисциплин физико-математического и электротехнического циклов.

По дисциплине «Математика»: линейная алгебра, аналитическая геометрия, дифференциальное и интегральное исчисления, дифференциальные уравнения, ряды, комплексные числа и функции комплексной переменной.

По дисциплине «Физика»: электростатика, постоянный ток, магнитное поле постоянного тока, электромагнитная индукция, магнитные свойства вещества, электромагнитные колебания.

По дисциплине «Теоретические основы электротехники»: электрические цепи при постоянном токе, электрические цепи при однофазном синусоидальном токе, четырехполюсники, круговые диаграммы, электрические цепи при несинусоидальном токе, трехфазные электрические цепи, магнитные цепи, нелинейные цепи при постоянном и переменном токах.

По дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»: изоляционные, магнитные и проводниковые материалы.

По дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация»: основы метрологии, аналоговые измерительные приборы, цифровые измерительные приборы, масштабные измерительные преобразователи, измерение электрических величин методом непосредственной оценки.

2. СОДЕРЖАНИЕ УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ И МЕТОДИЧЕСКИЕ

СОВЕТЫ ПО ЕЕ ИЗУЧЕНИЮ

Предмет изучения и его взаимосвязь с другими научными дисциплинами.

Роль и значение электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии в хозяйстве нашей страны и, в частности, в горной промышленности.

Краткая история развития электромашиностроения. Достижения в области электротехники и основные направления ее развития.

Задачи и содержание учебной дисциплины «Электрические машины», ее роль в теоретической и профессиональной подготовке горного инженераэлектромеханика.

1. Назовите фамилии русских ученых-электротехников и кратко расскажите об их основных изобретениях.

2. Какова роль электромагнитных и электромеханических преобразователей энергии в горной промышленности?

3. Расскажите о перспективах развития электромашиностроения.

Назначение, области применения и номинальные данные трансформаторов. Устройство трансформаторов: магнитная система, обмотки, способы охлаждения.

Математическое описание работы трансформатора в режимах холостого хода и нагрузки.

Векторные диаграммы трансформатора при активно-индуктивном и активно-емкостном характерах нагрузки.

Приведение величин и параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной. Принцип и методика приведения. Уравнения напряжений и МДС приведенного трансформатора.

Т-образная электрическая схема замещения приведенного трансформатора и основные энергетические соотношения: энергетическая диаграмма активной мощности, циркуляция реактивной энергии при различных характерах нагрузки.

Экспериментальное определение параметров Т-образной электрической схемы замещения: опыт холостого хода и короткого замыкания. Коррекция значений параметров для расчетной температуры, соответствующей заданному классу нагревостойкости изоляции. Напряжение короткого замыкания, основной треугольник короткого замыкания.

Упрощенные электрическая схема замещения и векторные диаграммы трансформатора в режиме нагрузки.

Изменение вторичного напряжения и внешние характеристики трансформатора. Понятие «изменение вторичного напряжения». Вывод формулы для расчета изменения вторичного напряжения при изменении характера и значения нагрузки.

Вывод и анализ формулы КПД трансформатора: допущения, определение оптимального коэффициента нагрузки и расчет максимального КПД трансформатора.

Системы магнитопроводов, схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов. Независимая, почти независимая и связанная магнитные системы. Схемы соединения обмоток: звезда, треугольник, зигзаг. Понятие «группа соединения обмоток». Способы определения номера группы соединения обмоток.

Принцип действия, устройство и области применения автотрансформатора.

Регулирование напряжения в трансформаторах: принципы регулирования, переключение ответвлений без возбуждения и под нагрузкой, трансформаторы с плавным регулированием напряжения.

Устройство и принцип действия сварочного трансформатора.

Параллельная работа трансформаторов: требование, условия включения, параллельная работа при несоблюдении какого-либо условия.

Методические советы по изучению раздела «Трансформаторы»

Перед изучением трансформаторов повторите из курса «Теоретическая электротехника» в разделе «Переменный ток» теорию электрической цепи со сталью. Уясните отличия электрической цепи со сталью при постоянном токе от этой же цепи при переменном токе.

В трансформаторе реально существующее поле на основании наших физических представлений раскладывается на составляющие: основной поток и потоки рассеяния. Каждая составляющая потока наводит свою ЭДС в той обмотке, с которой она сцеплена. Эти ЭДС направлены навстречу приложенному напряжению (по закону Ленца) и поэтому могут быть представлены как падения напряжения на соответствующих индуктивных сопротивлениях. Таким образом, каждое сопротивление обусловлено соответствующим потоком, а его величина прямо пропорциональна магнитной проводимости для этого потока.

В основу построения теории трансформатора положен принцип постоянного рабочего потока, поскольку он создает основную противоЭДС, уравновешивающую постоянное по величине приложенное напряжение (ЭДС рассеяния малы). На основании этого выводится важнейшее уравнение МДС.

Сложные электромагнитные связи между первичной и вторичной обмотками заменяются электрической схемой замещения. Обратите внимание, что это оказалось возможным только после приведения вторичных величин к числу витков первичной обмотки. Поэтому удалось упростить векторную диаграмму трансформатора.

С помощью схемы замещения и упрощенной векторной диаграммы далее уже легко проанализировать процессы в трансформаторе, его свойства и характеристики, их зависимость от характера нагрузки и т. п.

Следует обратить внимание на физический смысл такого параметра, как «напряжение короткого замыкания», найти это напряжение на векторной диаграмме и в схеме замещения и отличать его от «изменения вторичного напряжения». Надо понимать, почему параметр «напряжение короткого замыкания»

определяет рабочие характеристики, экономичность, возможность включения на параллельную работу и величину токов при аварийных коротких замыканиях.

Изучая группы соединений трехфазных трансформаторов, необходимо понять и запомнить, как изменяется группа соединений (т. е. на сколько электрических градусов сдвигается по фазе вторичное напряжение) при определенном изменении маркировки зажимов трансформатора.

Параллельная работа трансформатора возможна при выполнении определенных условий. Изучая эту тему, попытайтесь оценить допустимую величину отклонения от требуемых условий при включении трансформатора параллельно с другими.

При изучении специальных трансформаторов необходимо обратить внимание на основные соотношения, векторные диаграммы, схемы замещения этих трансформаторов. Необходимо уяснить отличие в теории спецтрансформаторов от построения теории обычного двухобмоточного трансформатора. Например, процесс преобразования энергии в автотрансформаторах, понижающих и повышающих, протекает неодинаково в отличие от двухобмоточного трансформатора.

Вопросы и задания для самопроверки по разделу «Трансформаторы»

1. Перечислите основные конструктивные элементы трансформатора.

2. Дайте краткую классификацию трансформаторов: по назначению, числу фаз, числу обмоток, исполнению магнитопровода, способу охлаждения.

3. Опишите конструкцию сердечника трансформатора, дайте краткую характеристику применяемых материалов.

4. Изобразите схематически расположение концентрических и чередующихся обмоток.

5. Назовите, на какие составляющие разделяют магнитное поле трансформатора при рассмотрении электромагнитных процессов в нем. Какие реактивные сопротивления вводятся при анализе работы трансформатора? Дайте количественную оценку соотношениям величин этих реактивных сопротивлений.

6. Используя второй закон Кирхгофа, напишите уравнение напряжений для первичной и вторичной обмоток. Покажите связь отдельных слагаемых в этих уравнениях с соответствующими составляющими магнитного поля.

7. Как зависят от насыщения сердечника индуктивные сопротивления взаимоиндукции и рассеяния трансформатора?

8. Ток холостого хода в насыщенном однофазном трансформаторе несинусоидален. Однако в уравнениях в комплексной форме и в векторных диаграммах его представляют синусоидальным. На каком основании? Что при этом изображает вектор тока холостого хода?

9. Почему в векторной диаграмме ток холостого хода опережает поток на некоторый угол? От чего зависит величина этого угла? Как он изменится, если при том же приложенном напряжении в сердечнике трансформатора сделать воздушный зазор?

10. Как изменятся параметры схемы замещения и величина тока холостого хода, если трансформатор подключить к напряжению значительно больше номинального (например, в 2 раза)?

11. Потери холостого хода трансформатора состоят из потерь в меди первичной обмотки и потерь в стали. Оцените относительную величину первой составляющей, учитывая, что при номинальном напряжении ток холостого хода составляет примерно 5 % номинального, а потери в меди при полной нагрузке соизмеримы с потерями в стали.

12. Объясните, почему уменьшается коэффициент мощности трансформатора на холостом ходу с ростом напряжения.

13. При построении теории трансформатора все параметры вторичной стороны приводят к числу витков первичной обмотки. Какие это дает преимущества и удобства в дальнейшем?

14. Каким путем при построении теории трансформатора удалось заменить индуктивную связь между обмотками электрическим соединением их в схеме замещения? Сделайте вывод электрической схемы замещения трансформатора.

15. При нагрузке трансформатора вторичная МДС направлена почти навстречу первичной. Изменяется ли с ростом вторичного тока результирующий магнитный поток в сердечнике трансформатора? Если да, то почему и в каких пределах?

а) при изменении нагрузки от холостого хода до номинальной;

б) в режиме установившегося короткого замыкания (к. з.)?

Как влияет величина индуктивных сопротивлений рассеяния на этот процесс?

16. С ростом нагрузки на вторичной стороне увеличивается одновременно ток, потребляемый первичной обмоткой из сети. Объясните, почему это происходит?

17. При каких условиях производится опыт к. з.? Почему в режиме к. з.

можно пренебречь током в намагничивающем контуре схемы замещения? Оцените погрешность этого допущения.

18. Покажите, что мощность, потребляемая трансформатором в опыте к.з., практически является мощностью электрических потерь в обмотках трансформатора, а при номинальном токе в опыте к. з. она равна потерям в меди, которые имеют место при номинальном режиме работы трансформатора?

19. Оцените величину потерь в стали в опыте к. з. и в режиме установившегося к. з. при номинальном первичном напряжении по сравнению с потерями на холостом ходу трансформатора.

20. Покажите, что «величина напряжения к. з.» в процентах не зависит от того, с какой стороны, высокой или низкой, производится питание трансформатора во время опыта к. з.

21. Как рассчитать параметры схемы замещения по каталожным данным однофазного и трехфазного трансформаторов (S н, U н, I 0 %, u к %, Р он, Р кн )?

22. Нарисуйте внешние характеристики трансформатора при разном характере нагрузки (активном, индуктивном, емкостном). Объясните отличия в кривых с помощью векторных диаграмм.

23. Почему на холостом ходу, а также при активной или смешанной индуктивной нагрузке трансформатор потребляет из сети отстающий реактивный ток, однако при емкостной нагрузке первичный ток может стать и опережающим?

24. Сформулируйте основные правила преобразования одной группы соединения в другую. Пользуясь этим правилом, преобразуйте:

Y/Y-0 в Y/Y-6 и Y/-11 в Y/-1.

25. Сформулируйте условия параллельной работы трансформаторов. Какое из этих условий должно быть выполнено абсолютно точно? Какие из них могут выполняться с некоторыми отступлениями?

26. Как распределяется нагрузка между параллельно работающими а) при неравенстве напряжений к. з.;

б) при неодинаковых коэффициентах трансформации.

2.3. Общие вопросы теории электромеханического преобразования энергии Основные законы электромеханики (электромеханического преобразования энергии).

Пульсирующие и вращающиеся магнитные поля: уравнения пульсирующих и бегущих волн, принципы образования вращающегося магнитного поля, зависимость скорости вращения магнитного поля от числа пар полюсов.

Обмотки машин переменного тока: требования, основные элементы, классификация и области применения различных типов обмоток.

Расчет и конструирование трехфазных однослойных и двухслойных обмоток.

ЭДС, индуцируемые в обмотках машин переменного тока: ЭДС активного проводника, витка и катушки с полным и укороченным шагом, сосредоточенной и распределенной катушечной группы и фазы обмотки. Коэффициенты укорочения шага и распределения обмотки для основной и высших гармонических ЭДС. Способы подавления высших гармонических ЭДС.

МДС и магнитные поля фазной и трехфазной обмоток машины переменного тока.

Методические советы по изучению раздела «Общие вопросы теории электромеханического преобразования энергии в электрических машинах»

Принцип действия трехфазных машин переменного тока основан на применении вращающегося магнитного поля. Вращающееся поле создается трехфазным симметричным током, протекающим по неподвижным, определенным образом расположенным в пространстве, обмоткам. Условия образования вращающегося поля, получения синусоидальной ЭДС, уменьшения высших гармоник в кривой распределения поля и др. требуют выполнения ряда обязательных правил при конструировании обмоток переменного тока, таких как сдвиг между фазами в пространстве, способы соединения начал и концов катушек одной фазы в однослойной и двухслойной обмотках, распределение обмотки и укорочение шага и т. д.

Обмотка машины переменного тока является ее электромагнитным «сердцем». Поэтому очень важно понять физические основы ее работы и конструкцию обмотки. Настоятельно рекомендуется в процессе изучения обмоток освоить построение кривой МДС трехфазных обмоток в различные моменты времени, определить скорость, направление вращения и величину высших пространственных гармоник поля статора, уяснить влияние высших пространственных гармоник на работу машины переменного тока и способы борьбы с этим влиянием. Необходимо научиться определять обмоточный коэффициент не только по формулам, но и с помощью векторной диаграммы. В этом разделе выводы всех формул следует обосновывать физическими представлениями.

Вопросы и задания для самопроверки по разделу «Общие вопросы теории электромеханического преобразования энергии в электрических машинах»

1. Назовите необходимые условия получения кругового вращающегося магнитного поля с помощью различных систем переменного тока.

2. Изобразите радиальную схему однослойной, сосредоточенной диаметральной трехфазной обмотки статора с шестью пазами. На этом рисунке покажите схематически силовые линии и направление магнитной оси результирующего поля для двух моментов времени:

1) когда в фазе А мгновенное значение тока максимально (равно амплитуде);

2) когда ток фазы В равен нулю.

Проанализируйте полученную картину и ответьте на следующие вопросы. Сколько пар полюсов имеет результирующее поле? В какую сторону и с какой частотой оно вращается? Как частота вращения зависит от частоты тока?

Где находится магнитная ось результирующего поля в тот момент времени, когда в одной из фаз ток проходит через амплитудное значение?

3. Определите частоту вращения многополюсного поля в геометрических и электрических радианах в секунду, а также в оборотах в секунду и в минуту.

Напишите соответствующие формулы. Покажите в общем виде связь между электрическими и геометрическими радианами (градусами).

4. Перечислите преимущества и недостатки двухслойных обмоток по сравнению с однослойными.

5. На примере четырехполюсной машины покажите, как соединяются катушки одной фазы однослойной, а затем и двухслойной обмоток при последовательном соединении их? То же при параллельном?

6. Для чего обмотку переменного тока стремятся выполнить с укороченным шагом и распределенной? Какие это дает преимущества и недостатки?

7. Выведите формулу эффективного значения ЭДС фазы при синусоидальном распределении магнитной индукции вращающегося поля.

8. Каков физический смысл обмоточного коэффициента и его сомножителей? Выведите формулы для определения последних относительно основной и высших гармоник.

9. Вращающееся поле в общем случае, кроме основной, содержит высшие пространственные гармоники, которые искажают форму кривой ЭДС. Какие меры применяются для улучшения синусоидальности ЭДС?

Устройство асинхронной машины: основные конструктивные элементы машин с короткозамкнутым и фазным роторами. Паспортные данные, области применения.

Параметры асинхронной машины с короткозамкнутым и фазным роторами. Приведение величин и параметров ротора к статору. Принцип и методика приведения. Уравнения напряжений и МДС приведенной асинхронной машины с заторможенным ротором.

Устройство и принцип действия фазорегулятора и индукционного регулятора напряжения.

Принцип действия асинхронного двигателя. Понятие «скольжение».

Электромагнитные процессы во вращающемся роторе. Зависимость величин и параметров ротора от скольжения. Электрическая схема замещения фазы вращающегося ротора и ее преобразование к эквивалентной электрической схеме замещения неподвижного ротора. Электрические потери в роторе, электромагнитная и полная механическая мощности асинхронной машины.

Скорость вращения МДС ротора в пространстве. Уравнение МДС асинхронной машины.

Т-образная электрическая схема замещения асинхронной машины. Режимы работы: асинхронный двигатель, асинхронный генератор, электромагнитный тормоз. Основные энергетические соотношения преобразования активной энергии и циркуляции реактивной энергии в каждом из режимов работы.

Точная и уточненная Г-образные электрические схемы замещения асинхронной машины. Условия эквивалентности Т-образной и точной Г-образной схем замещения. Условия перехода от точной Г-образной схемы замещения к уточненной.

Вывод и анализ формулы электромагнитного момента асинхронной машины. Зависимости электромагнитного момента от основного магнитного потока и фазного тока ротора и от фазного напряжения статора и скольжения.

Начальный пусковой момент и начальные пусковые токи ротора и статора. Параметры к. з. Критическое скольжение и максимальный момент. Естественная и искусственные механические характеристики асинхронного двигателя.

Построение механической характеристики по каталожным данным. Работа асинхронного двигателя при неноминальных условиях. Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей.

Способы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Принцип расчета пускового реостата в цепи ротора.

Короткозамкнутые асинхронные двигатели с повышенным пусковым моментом.

Методические советы по изучению раздела «Асинхронные машины»

При неподвижном роторе теория асинхронной машины легко сводится к теории трансформатора. Это объясняется тем, что реальное магнитное поле в асинхронной машине мы разложили на те же составляющие, что и в трансформаторе: на основное и на поля рассеяния.

Теория вращающейся асинхронной машины также приводится к теории неподвижного трансформатора. Это удается сделать на основании следующих соображений. МДС обмотки ротора вращается относительно ротора с частотой, зависящей от скольжения.

Сумма частот вращения самого ротора и его МДС равна синхронной частоте МДС статора. Следовательно, МДС статора и ротора относительно друг друга неподвижны. Поэтому можно построить пространственную диаграмму МДС асинхронной машины (в отличие от временной диаграммы трансформатора). Далее, преобразуя уравнение МДС путем введения приведенного вторичного тока, мы получим то же самое уравнение МДС, но выраженное в виде геометрической суммы токов. Затем, применяя искусственный прием, формально математически освобождаем вторичные ЭДС и индуктивное сопротивление от скольжения, т. е. приводим их к величинам неподвижного ротора и получаем схему замещения асинхронной машины, все параметры которой приведены к частоте сети и не зависят от скольжения, за исключением активного сопротивления в цепи нагрузки схемы замещения.

С помощью схемы замещения и соответствующих ей уравнений и векторных диаграмм, так же как и в трансформаторах, легко можно проанализировать любые режимы и характеристики асинхронной машины.

Основной характеристикой асинхронной машины является зависимость М эм = f (S). Главное здесь – умение анализировать эту зависимость. Для тренировки постройте семейства кривых момента при разных значениях каждой величины, входящей в формулу момента при прочих равных условиях. Покажите, как при конструировании можно изменить в заданном направлении параметры, например, индуктивное сопротивление рассеяния статора, ротора, активное сопротивление ротора – с тем, чтобы получить требуемое значение пускового или максимального момента двигателя. Обратите внимание, каким образом повышается пусковой момент в глубокопазном двигателе или в двигателе с двойной клеткой.

Вопросы и задания для самопроверки по разделу «Асинхронные машины»

1. Каковы устройство и принцип действия асинхронной машины? Почему асинхронный двигатель принципиально не может достичь синхронной скорости?

2. Чему равно число фаз и количество витков в фазе короткозамкнутой обмотки ротора типа «беличья клетка»?

3. При заторможенном роторе построение теории асинхронной машины в основном повторяет методы, известные нам из теории трансформаторов. Какие отличия или особенности Вы при этом заметили, чем они обусловлены?

4. На какие основные составляющие раскладывается реальное магнитное поле при построении теории асинхронной машины?

5. Объясните физический смысл индуктивных сопротивлений взаимоиндукции и рассеяния. Почему первое из них в асинхронной машине значительно меньше, чем в трансформаторе?

6. Чем отличается приведение вторичных величин к первичной обмотке в асинхронных машинах от аналогичной операции в трансформаторах?

7. Покажите, что МДС статора и вращающегося ротора неподвижны относительно друг друга при любом скольжении. Постройте пространственную векторную диаграмму МДС.

8. Ток ротора изменяется с частотой скольжения, ток статора с частотой сети. На каком основании векторы, соответствующие разночастотным токам, совмещены на одной векторной диаграмме?

9. Покажите, каким образом рабочий режим вращающегося асинхронного двигателя может быть приведен к режиму трансформатора с активной нагрузкой, зависящей от скольжения.

10. Объясните физический смысл параметров схемы замещения асинхронной машины. Как они зависят от насыщения? К какой частоте приведены параметры роторной цепи? Что и каким образом изменится в схеме замещения асинхронной машины, если воздушный зазор ее увеличить?

11. Почему и в каких режимах пренебрегают потерями в стали ротора?

12. Выведите формулу для вращающегося момента асинхронного двигателя. Исследуйте ее на максимум. Получите выражения для критического скольжения, максимального и пускового моментов.

13. Для чего в цепь фазного ротора на период пуска вводят добавочное сопротивление? При какой величине этого сопротивления пусковой момент будет равен максимальному. Нельзя ли вместо активного использовать индуктивное сопротивление?

14. Объясните, каким образом эффект вытеснения тока в короткозамкнутом роторе влияет на величину пускового момента? Почему этот эффект увеличивается с ростом отношения высоты паза к его ширине? Почему вытеснение тока в роторе исчезает в рабочем режиме двигателя?

15. В двухклеточном роторе индуктивное сопротивление верхней клетки должно быть меньше по сравнению с нижней. Как это конструктивно обеспечивается? Какое влияние оказывает разница в активных и индуктивных сопротивлениях клеток на механическую характеристику?

16. Из каких соображений выбирается тот или другой способ пуска асинхронного двигателя? Чем ограничивается применение прямого запуска (прямым включением в сеть)?

17. Почему асинхронные генераторы не получили широкого распространения, несмотря на то, что они имеют некоторые положительные свойства? Какие именно?

Назначение, паспортные данные, области применения. Анализ электромагнитной схемы синхронной машины. Конструкция явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин. Схемы возбуждения и системы охлаждения.

Магнитное поле и параметры обмотки возбуждения явнополюсного синхронного генератора.

Понятие «реакция якоря». Метод двух реакций. Качественный анализ реакции якоря при различных видах (характерах) нагрузки.

Магнитные поля, ЭДС и параметры обмотки якоря явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин.

Уравнения напряжений и векторные диаграммы явнополюсных и неявнополюсных синхронных генераторов.

Характеристики синхронных генераторов: холостого хода, установившегося трехфазного короткого замыкания, внешняя, регулировочная и индукционная нагрузочная. Построение и физическая сущность треугольника Потье.

Способы включения синхронной машины на параллельную работу с мощной сетью: способ точной синхронизации, способ грубой синхронизации, способ асинхронного пуска.

Синхронные режимы работы синхронной машины параллельно с мощной сетью: режим синхронного компенсатора, режим синхронного генератора и режим синхронного двигателя. Анализ работы недовозбужденной и перевозбужденной синхронной машины в режимах компенсатора, генератора и двигателя.

Угловые характеристики активной мощности и момента явно- и неявнополюсных синхронных машин. Синхронизирующий момент, синхронизирующая мощность, коэффициенты синхронизирующего момента и синхронизирующей мощности (удельный синхронизирующий момент и удельная синхронизирующая мощность). Статическая перегружаемость и статическая устойчивость синхронной машины.

Регулирование реактивной мощности синхронной машины при параллельной работе с сетью и поддержании постоянной активной мощности (U-образные кривые).

Рабочие характеристики синхронного двигателя.

Методические советы по изучению раздела «Синхронные машины»

Теория синхронной машины отличается тем, что результирующее магнитное поле в ней для удобства расчетов раскладывается на большее число составляющих по сравнению с другими видами электрических машин. Это особенно относится к явнополюсной машине, у которой магнитные проводимости для потока реакции якоря по продольной и поперечной осям неодинаковы.

Каждая составляющая потока наводит в обмотке якоря свою ЭДС. Уравнение для напряжения и, следовательно, векторная диаграмма синхронной машины содержат большее число слагаемых и выглядят сложнее, чем для других типов машин.

Поэтому при изучении синхронных машин необходимо внимательнее рассматривать физическую картину явлений и стремиться раскрыть физический смысл каждой величины в уравнениях, описывающих тот или иной процесс.

Одним из важнейших вопросов теории синхронной машины является реакция якоря. Положение поля реакции якоря относительно поля возбуждения в синхронной машине зависит от характера нагрузки (от угла сдвига между векторами тока и ЭДС).

Изучая влияние реакции якоря на характеристику синхронной машины, необходимо обращать внимание на возможность их построения двумя способами: аналитически (с помощью векторных диаграмм) и опытным путем. Здесь же должны быть усвоены методы определения параметров. Численное значение параметров различных типов синхронных машин нужно запомнить, понимая при этом, почему тот или другой параметр должен иметь именно такой порядок.

Режим работы синхронной машин, работающей параллельно с сетью бесконечной мощности, отличается от режима работы отдельного синхронного генератора. Частота и напряжение сети постоянны.

Следовательно, частота вращения поля якоря и напряжение на его зажимах измениться не могут.

При изменении момента на валу и постоянном токе возбуждения синхронная машина работает в режиме угловой характеристики. Если двигательный момент со стороны турбины увеличивается, то индуктор, по-прежнему вращаясь с синхронной скоростью, начнет опережать поле якоря, синхронная машина начинает работать в режиме генератора и отдавать активную мощность в сеть. Если к валу синхронной машины приложить тормозной момент, то индуктор отстанет от поля якоря и машина будет работать в двигательном режиме.

При постоянном моменте с изменением тока возбуждения машина работает в режиме U-образной характеристики. В перевозбужденном состоянии реактивная энергия отдается в сеть, а в недовозбужденном – забирается из сети для подмагничивания. При отсутствии момента на валу машина может работать как синхронный компенсатор, регулируя напряжение сети и коэффициент мощности.

Статическая и динамическая устойчивости определяют способность машины устойчиво работать в энергетической системе. Пределом статической устойчивости является максимальная электромагнитная мощность. Для ее увеличения необходимо проектировать машину с большим значением ОКЗ, что приводит к росту воздушного зазора и, следовательно, к увеличению размеров, веса и стоимости машины. Поэтому лишний запас статической устойчивости экономически нецелесообразен. Динамическую устойчивость увеличивают искусственно путем создания быстроотзывчивых автоматических систем форсировки возбуждения.

При изучении синхронных двигателей обратите внимание на особенности их пуска, особенно на асинхронный пуск и возникающее при этом явление одноосного эффекта.

Вопросы и задания для самопроверки по разделу «Синхронные машины»

1. Объясните устройство и принцип работы синхронной машины. Почему при построении теории синхронных машин их подразделяют на явнополюсные и неявнополюсные?

2. Покажите, что характер реакции якоря в синхронной машине зависит от угла сдвига по фазе между ЭДС и током якоря.

3. Объясните, почему в явнополюсной машине МДС реакции якоря целесообразно представить в виде двух составляющих по продольной и поперечной осям?

4. На какие составляющие раскладывается реальное магнитное поле при построении теории синхронных машин? Найдите в уравнениях для ЭДС члены, соответствующие отдельным магнитным потокам (для неявнополюсных и для явнополюсных машин).

5. Объясните физический смысл параметров синхронной машины в установившемся режиме работы. Назовите по памяти их средние значения в относительных единицах. Как они изменятся, если воздушный зазор в машине увеличится? Как влияет насыщение основной магнитной цепи на величину того или другого параметра?

6. Постройте полные и упрощенные векторные диаграммы неявнополюсного синхронного генератора для каждого из следующих режимов работы: холостой ход, активная нагрузка, смешанная индуктивная, смешанная емкостная, чисто индуктивная и емкостная нагрузки, режим симметричного к. з. То же для явнополюсного генератора. Проследите с помощью векторных диаграмм характер действия реакции якоря в каждом из режимов.

7. Как определить изменение напряжения генератора при сбросе или набросе нагрузки и ток возбуждения при номинальной нагрузке с помощью векторной диаграммы с учетом и без учета насыщения? Велика ли ошибка в определении перечисленных величин без учета насыщения?

8. Объясните физический смысл угла сдвига по фазе между векторами ЭДС холостого хода и напряжения. Как величина этого угла зависит от нагрузки?

9. Что такое ОКЗ генератора? Как его величина влияет на перегрузочную способность и размеры генератора? Чему равняются средние значения ОКЗ в относительных единицах для турбо- и гидрогенераторов? Как определить ОКЗ опытным путем?

10. Как с помощью экспериментальных характеристик определить величины параметров синхронного генератора в установившемся симметричном режиме работы?

11. Почему расчетное индуктивное сопротивление Потье отличается от индуктивного сопротивления рассеяния?

12. Как практически проконтролировать выполнение всех условий включения синхронного генератора на параллельную работу?

13. Покажите, к чему приводят отклонения от идеальных условий синхронизации при включении генератора параллельно с сетью?

14. Как загрузить вновь включенный на параллельную работу генератор активной мощностью, реактивной мощностью?

15. С помощью энергетической и векторных диаграмм найдите выражения для электромагнитной мощности (момента) неявно- и явнополюсного синхронных генераторов. Какое допущение делается при выводе уравнения для явнополюсной машины? Объясните физический смысл и причину появления второго слагаемого в уравнении электромагнитной мощности явнополюсного генератора.

16. Объясните, почему вектор ЭДС холостого хода опережает вектор напряжения синхронной машины в генераторном режиме, совпадает с ним на холостом ходу и отстает в двигательном режиме. Почему с ростом нагрузки угол сдвига фаз между векторами увеличивается? Может ли он стать больше девяноста градусов?

17. Покажите, что величина и знак удельной синхронизирующей мощности характеризуют способность ротора генератора возвращаться в исходное положение (способность синхронизироваться с сетью) при случайных отклонениях его скорости от заданной сетью.

18. Каким образом величина воздушного зазора влияет на параметры, характеристики и стоимость синхронной машины?

19. Объясните, почему в семействе U-образных характеристик линия, соединяющая точки с коэффициентом мощности, равным единице, отклоняется вправо с ростом нагрузки. Почему при уменьшении тока возбуждения кривая обрывается тем раньше, чем больше нагрузка?

20. Возьмите произвольную точку на U-образной характеристике и найдите коэффициент мощности, при котором работает машина в этой точке.

21. Каким образом можно изменить коэффициент мощности синхронного генератора, работающего параллельно с мощной сетью?

22. Объясните с физической точки зрения, почему при недовозбуждении синхронная машина потребляет реактивную мощность из сети.

23. Как поведет себя нагруженный синхронный генератор, работающий параллельно с сетью:

а) при потере возбуждения;

б) при внезапном отключении от сети;

в) при прекращении подачи воды или пара в турбину?

24. С какой целью в синхронных генераторах устанавливается демпферная клетка?

25. Покажите, что синхронная машина обратима, может работать как в генераторном, так и в двигательном режимах. Объясните конструктивные отличия двигателей по сравнению с генераторами. Чем они обусловлены?

26. Перечислите способы пуска синхронных двигателей. Объясните, зачем при асинхронном пуске синхронного двигателя обмотку возбуждения замыкают на активное сопротивление. Почему не на индуктивное? Нельзя ли оставить обмотку возбуждения разомкнутой?

27. Каким образом при работе синхронного двигателя можно регулировать его коэффициент мощности?

28. Сравните свойства синхронного и асинхронного двигателей. Оцените достоинства и недостатки каждого из них.

29. Объясните назначение и принцип работы синхронного компенсатора, его конструктивные отличия от двигателя и генератора.

Назначение, паспортные данные, области применения. Принцип действия машины постоянного тока: принцип действия генератора постоянного тока, обратимость машин постоянного тока, роль щеточно-коллекторного узла. Основные элементы и характеристики якорных обмоток.

Вывод и анализ формул ЭДС якоря и электромагнитного момента машины постоянного тока. Влияние сдвига щеток с геометрической нейтрали на значение ЭДС якоря в режиме холостого хода. Амплитуда и частота пульсаций ЭДС якоря и их зависимость от количества коллекторных пластин.

Магнитное поле машины постоянного тока при нагрузке и установке щеток на геометрической нейтрали (поперечная реакция якоря). Причины возникновения кругового огня по коллектору. Реакция якоря при сдвиге щеток с геометрической нейтрали. Влияние сдвига щеток с геометрической нейтрали на величину ЭДС якоря. Способы ограничения реакции якоря. Компенсация реакции якоря в пределах полюсных наконечников с помощью компенсационной обмотки.

Причины искрения на коллекторе и классы коммутации. Физическая сущность коммутации: период коммутации, зона коммутации, реактивная коммутационная ЭДС, коммутационная ЭДС вращения, коммутирующее магнитное поле, основное уравнение коммутации, прямолинейная, замедленная и ускоренная коммутации, степень некомпенсации реактивной коммутационной ЭДС. Способы улучшения коммутации. Настройка коммутации с помощью добавочных полюсов.

Классификация машин постоянного тока по способу возбуждения.

Характеристики генераторов постоянного тока: холостого хода, внешняя, регулировочная, нагрузочная. Характеристический (реактивный) треугольник.

Процесс самовозбуждения генератора параллельного возбуждения.

Характеристики двигателей постоянного тока: моментная, скоростная, механические и рабочие.

Способы пуска двигателей постоянного тока: прямой, реостатный и путем плавного повышения питающего напряжения.

Принципы регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока. Работа двигателей постоянного тока в тормозных режимах.

Методические советы по изучению раздела «Машины постоянного тока»

При изучении принципа действия генератора постоянного тока необходимо ясно представить, как переменная ЭДС, создаваемая в обмотке якоря, с помощью коллектора преобразуется в постоянную. Этот процесс надо проследить при рассмотрении принципов образования обмоток якоря. Для лучшего освоения теории обмоток рекомендуется построить радиальную и развернутую схемы обмотки кольцевого якоря с числом секций, отличным от числа секций, приведенного в учебниках (например, для восьми секций).

Затем, с помощью схемы обмотки, постройте электрическую схему параллельных ветвей и векторную диаграмму ЭДС (многоугольник ЭДС). Оцените величину пульсации ЭДС на щетках. Далее, преобразуйте обмотку кольцевого якоря в обмотку барабанного якоря и постройте ее развернутую схему.

При изучении реакции якоря постройте на развернутой схеме кривую результирующего поля (МДС и индукции) без учета и с учетом насыщения для случая, когда щетки установлены на геометрической нейтрали. Обратите внимание на местоположение максимума индукции результирующего поля вблизи набегающего края щетки для генератора и сбегающего – для двигателя. Оцените действие поперечной реакции на величину результирующего потока, на распределение напряжения по коллектору при нагрузке. Последнее сравните с холостым ходом. Обратите внимание, из каких физических предпосылок выводится формула дополнительной МДС, необходимой для компенсации размагничивающего влияния поперечной реакции якоря.

Уточните назначение компенсационной обмотки. Изучение влияния продольной реакции якоря обычно не вызывает трудностей.

Коммутация тока – наиболее сложная тема в теории машин постоянного тока. Прежде всего необходимо уяснить физическую сущность коммутационного процесса, а затем уже разобрать основные положения «классической теории». При этом следует обратить внимание на вредное влияние добавочного тока и на способы его компенсации. Объясните с точки зрения «классической теории» способы улучшения коммутации, а также способы опытной настройки и проверки коммутации. Обратите внимание на условия работы дополнительных полюсов и на вытекающие из них требования к конструкции этих полюсов.

Вид характеристик двигателей и генераторов легко объясняется при помощи основных уравнений с учетом действия реакции якоря. Однако необходимо всегда точно формулировать условия, при которых существует та или другая характеристика. Стоит лишь немного изменить условия, как данная характеристика приобретает совсем другой вид. Исследуя характеристики, полезно оценить область применения машин постоянного тока с разными способами возбуждения. Особое внимание при изучении генераторов с параллельным возбуждением надо обратить на три условия самовозбуждения. Способы регулирования скорости и торможения двигателей исследуются легко с помощью соответствующих характеристик.

Вопросы для самопроверки по разделу «Машины постоянного тока»

1. Каковы принципы действия и устройство простейших машин с кольцевым якорем?

2. Назовите основные элементы конструкции современной машины? Перечислите, какие обмотки могут быть в машине, их расположение и назначение. Как устроен коллектор?

3. Что называется геометрической и физической нейтралью машины? Как понимать выражение «щетки стоят на геометрической нейтрали»? Где на коллекторе находится геометрическая нейтраль?

4. Выведите формулу для расчета ЭДС якоря при расположении щеток на геометрической нейтрали.

5. Как изменится ЭДС якоря (при одной и той же кривой распределения магнитной индукции вдоль воздушного зазора на полюсном делении), если щетки сместить с геометрической нейтрали? Чему будет равна эта ЭДС на холостом ходу генератора при смещении щеток на 90 электрических градусов?

6. Что понимается под реакцией якоря? Как распределяется вдоль воздушного зазора по окружности МДС якоря при нагрузке машины? Где проходит магнитная ось якоря? Что называется линейной нагрузкой якоря?

7. Расскажите о реакции якоря генератора и распределении поля в воздушном зазоре при расположении щеток на геометрической нейтрали.

8. То же при сдвиге щеток с геометрической нейтрали.

9. Какова картина реакции якоря машины в двигательном режиме?

10. Почему, хотя и не так сильно, поперечная реакция якоря приводит к уменьшению магнитного потока под полюсом машины? От чего зависит величина эффекта уменьшения потока?

11. Какими мерами можно ослабить или вовсе ликвидировать влияние реакции якоря на неблагоприятное распределение напряжения по коллектору или вообще на работу машины при нагрузке?

12. Как устроена и каким образом включается компенсационная обмотка?

Изобразите ее схему, например, для двухполюсной машины. Сформулируйте условия полной компенсации реакции якоря на полюсной дуге с помощью этой обмотки.

13. Изобразите характеристики холостого хода и нагрузочную генератора с независимым возбуждением. Между этими характеристиками впишите характеристический треугольник. Объясните физический смысл катетов этого треугольника.

14. Почему при уменьшении тока возбуждения генератора горизонтальный катет характеристического треугольника уменьшается? Чему он будет равен на участке, соответствующем прямолинейной части характеристики холостого хода при расположении щеток на геометрической нейтрали?

15. «Коммутация» буквально означает «переключение». Какой процесс коммутации (переключения) постоянно происходит при работе машины постоянного тока (что, из какой в какую цепь и когда переключается?) Что называется периодом коммутации? Оцените в секундах длительность периода коммутации.

16. Назовите и объясните физическую природу всех ЭДС, которые возникают в коммутируемой секции машины при положении щеток на геометрической нейтрали. Как они зависят от скорости вращения и тока якоря?

17. Для коммутируемой секции напишите уравнения Кирхгофа, решите их относительно тока в предположении равенства ширины щетки коллекторному делению и исследуйте полученное решение.

18. Какими способами можно получить практически прямолинейную коммутацию?

19. Где размещаются дополнительные полюса? Определите необходимую полярность дополнительных полюсов у генератора и двигателя. Как включается обмотка дополнительных полюсов? Не нарушится ли необходимая полярность дополнительных полюсов при использовании генератора двигателем или при изменении направления вращения?

20. Почему под дополнительными полюсами по сравнению с главными делают увеличенный воздушный зазор? С какой целью этот зазор частично, в виде немагнитных прокладок, переносят к месту крепления полюсов к станине?

21. Как рассчитать необходимую МДС обмотки дополнительного полюса машины без компенсационной обмотки и с компенсационной обмоткой?

22. Почему для получения удовлетворительной коммутации большое значение имеет сорт щеток? Назовите основные типы щеток и их область применения, а также допустимые средние плотности тока.

23. Как оценивается качество работы щеточных контактов машины?

Назовите степени искрения и охарактеризуйте их.

24. Сформулируйте условия самовозбуждения генераторов с параллельным возбуждением. Напишите дифференциальное уравнение для процесса самовозбуждения на холостом ходу генератора. От чего зависит скорость процесса самовозбуждения? Охарактеризуйте установившийся режим этого процесса.

Что такое критическое сопротивление цепи возбуждения? Как оно изменяется с ростом скорости генератора?

25. Что дает дополнительная последовательная обмотка возбуждения генератора со смешанным возбуждением? Как и почему изменяется внешняя характеристика генератора, если последовательную обмотку включить в магнитном отношении навстречу основной параллельной обмотке?

26. Напишите и поясните все основные соотношения для напряжений и токов в цепи якоря, а также скорости вращения и вращательного момента машины постоянного тока в двигательном режиме. Самостоятельно сделайте выводы этих соотношений.

27. Изобразите энергетические диаграммы для якоря в генераторном и двигательном режимах машины. Объясните их, сопровождая необходимыми соотношениями.

28. Как пускаются в ход двигатели постоянного тока? Изобразите принципиальную схему пуска двигателя параллельного возбуждения. Каково назначение пускового реостата? В каком положении должен находиться регулировочный реостат в цепи возбуждения? Почему нельзя цепь возбуждения подключить к выводам якоря двигателя, а рекомендуется подключить так, чтобы она была под полным напряжением питающей сети?

29. Как можно регулировать скорость вращения двигателей параллельного и последовательного возбуждения? Поясните необходимыми соотношениями, изобразите характеристики двигателей.

1. Маркировка, определение групп соединения и фазировка обмоток трехфазных трансформаторов.

2. Испытание трехфазного трансформатора косвенным методом.

3. Испытание асинхронного двигателя с фазным ротором.

4. Испытание синхронного генератора.

5. Испытание синхронного двигателя.

6. Испытание генераторов постоянного тока.

7. Испытание двигателя постоянного тока.

2.8. Курсовой проект, содержание, требования к оформлению Курсовой проект выполняют студенты специализаций 130400 – «Электрификация и автоматизация горного производства» (ГД-11-7) и – «Электропривод и автоматика» (ЭЭТ-11-6).

Целью выполнения курсового проекта по дисциплине «Электрические машины» является закрепление теоретических положений дисциплины и формирование у студентов практических навыков и приемов расчета конкретных электрических машин.

Курсовой проект заключается в расчете и конструировании асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Выбор темы проектирования объясняется тем, что в настоящее время асинхронные двигатели являются основными преобразователями электрической энергии в механическую и составляют основу электропривода большинства машин и механизмов во всех отраслях народного хозяйства и, в частности, в горной промышленности.

При курсовом проектировании каждый студент получает на кафедре индивидуальное задание на расчет и конструирование конкретного асинхронного двигателя. Полученное техническое задание обязательно приводится на первой странице пояснительной записки.

Техническое задание включает следующие данные:

1) тип двигателя;

2) назначение;

3) номинальный режим работы;

4) номинальная мощность;

5) номинальное линейное напряжение Y / ;

6) число полюсов;

7) базисная частота сети;

8) частоты сети, при которых рассчитываются рабочие характеристики асинхронного двигателя;

9) закон изменения напряжения сети в зависимости от значения частоты 10) степень защиты;

11) способ охлаждения;

12) исполнение по способу монтажа;

13) климатические условия;

14) класс нагревостойкости изоляции.

15) маркировка взрывозащиты.

Также в задании приведены основные требования к проектируемому двигателю:

- значение КПД и коэффициента мощности в номинальном режиме должны быть не хуже, чем у аналогичных серийных двигателей;

- значения перегрузочной способности и кратности начального пускового момента и значение кратности начального пускового тока должны соответствовать требованиям задания.

Содержание курсового проекта:

1. Выбор главных размеров асинхронного двигателя. Выводы по разделу 1. В выводах необходимо объяснить, к какой границе оптимальной зоны приближается величина критерия правильности выбора главных размеров и какие это даёт преимущества.

2. Выбор типа обмотки статора. Расчет, составление таблицы укладки обмотки в пазы и чертежа схемы обмотки. Выводы по разделу 2. В выводах необходимо сформулировать основные требования, предъявляемые к трёхфазным обмоткам и объяснить преимущества и недостатки выбранной обмотки перед другими видами (однослойной перед двухслойной или наоборот).

3. Расчет размеров зубцовой зоны статора. Выводы по разделу 3. В выводах надо объяснить вводимые технологические ограничения на параметры обмоточного провода и почему наложены жёсткие ограничения на величину коэффициента заполнения паза обмоточным проводом k з.

4. Выбор воздушного зазора. Расчет короткозамкнутого ротора. Выводы по разделу 4. В выводах необходимо объяснить влияние величины воздушного зазора на энергетические показатели двигателя.

5. Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя. Суть расчёта магнитной цепи, схема расчёта магнитной цепи. Выводы по разделу 5. В выводах надо оценить правильность выбранных размерных соотношений магнитопровода и обмоточных данных по величинам коэффициентов k z и k µ и по значению намагничивающего тока I µ.

6. Расчет параметров асинхронного двигателя для номинального режима.

Выводы по разделу 6. В выводах необходимо объяснить, каким образом оценивают правильность расчёта параметров Т-образной схемы замещения асинхронного двигателя. Также надо пояснить, на какие составляющие подразделяют реальное магнитное поле и какие индуктивные сопротивления характеризуют эти составляющие. Что такое коэффициент магнитной проводимости и какие коэффициенты магнитной проводимости рассчитываются при определении индуктивных сопротивлений рассеяния фаз статора и ротора. При расчёте r 2 и x 2 надо пояснить, какой электрической схемой представляется реальная короткозамкнутая обмотка ротора типа «беличья клетка», чему равны число фаз m 2, число витков в фазе w 2 и обмоточный коэффициент k об2, какую часть обмотки короткозамкнутого ротора принимают за фазу и какой ток считается фазным.

7. Расчет потерь и КПД асинхронного двигателя. Виды потерь. Когда учитывают поверхностные и пульсационные потери в магнитопроводах статора и ротора, а когда – только в магнитопроводе ротора. Выводы по разделу 7. В выводах надо пояснить, какие технические решения позволяют снизить магнитные потери.

8. Расчет рабочих характеристик асинхронного двигателя для заданных частот сети. Выводы по разделу 8. В выводах необходимо прокомментировать, как изменяются эксплуатационные характеристики = f(P 2 ), cos = f(P 2 ) и 2 = f(M эм ) при изменении частоты и напряжения сети.

9. Расчет пусковых характеристик асинхронного двигателя. Физическая суть явлений вытеснения тока и насыщения в асинхронном двигателе с короткозамкнутым ротором и использование этих явлений для улучшения пусковых свойств двигателя. Выводы по разделу 9. В выводах надо объяснить, какие технические решения позволяют увеличить значение начального пускового момента асинхронного двигателя и какие при этом необходимо учитывать ограничения.

10. Тепловой и вентиляционный расчеты асинхронного двигателя. Выводы по разделу 10. В выводах надо пояснить схему движения охлаждающего воздуха при используемой в двигателе степени защиты, назвать используемую систему вентиляции и доказать достаточна ли система самовентиляции при минимальной частоте сети.

11. Составление таблицы сравнения основных размеров, параметров, рабочих и пусковых характеристик рассчитанного двигателя с основными размерами, параметрами, рабочими и пусковыми характеристиками однотипного серийного двигателя (у аналога должны быть такие же номинальная мощность, степень защиты и число полюсов вращающегося магнитного поля). Выводы по таблице сравнения. В выводах необходимо показать, какие характеристики рассчитанного двигателя получились лучше, чем у аналога, а какие хуже и дать объяснение, почему получили такие результаты. Если характеристики рассчитанного двигателя уступают аналогу, то надо указать пути улучшения этих характеристик.

12. Обоснование и описание конструкции рассчитанного асинхронного двигателя: установочно-присоединительные размеры, сердечник и обмотка статора, сердечник и обмотка ротора, вентилятор, станина, подшипниковые щиты, подшипниковые узлы, выводное устройство.

13. Оформление пояснительной записки и выполнение графической части проекта. Графическая часть включает: продольный и поперечный разрезы двигателя, паз и зубец статора, паз и зубец ротора, катушку обмотки статора, спецификацию основных частей двигателя, спецификацию корпусной изоляции обмотки статора и выполняется на одном листе формата 841594 мм в карандаше в соответствии с правилами Единой системы конструкторской документации (ЕСКД).

Расчетная часть проекта оформляется в виде пояснительной записки на листах стандартного формата 210297 мм. Необходимые графики, рисунки и схемы выполняются на листах миллиметровой бумаги формата 210297 или 420297 мм. Минимально необходимый набор рисунков включает условную схему фазы А обмотки, полную схему обмотки (каждая фазная обмотка вычерчивается своим цветом), пазы статора и ротора с буквенными обозначениями размеров, расчётную схему магнитной цепи, схемы замещения асинхронного двигателя и рабочие и пусковые характеристики двигателя.

Титульный лист записки выполняется по форме (рис. 2.1).

За титульным листом вставляется пустой лист с заголовком «Рецензия».

Текст записки располагается по указанной форме (табл. 2.1).

Цифровая подстановка в уравнения дается один раз без промежуточных сокращений и расчетов. Численное значение символа должно в формуле занимать то же место, что и сам символ.

Расчеты сопровождаются пояснениями технической и экономической целесообразности выбираемых параметров. Для варьируемых величин указываются рекомендуемые пределы со ссылкой на литературу.

При выполнении расчета рабочих характеристик для базисной частоты приводится подробный расчет для скольжения: S н.пред = r2*. Для остальных значений скольжений данные расчета представляются в табличной форме. Рабочие характеристики рассчитываются для диапазона скольжений 0,2S н.пред – 1,2S н.пред с шагом приращения скольжения Т = 0,2S н.пред. и для скольжения S кр. пред.. Данные номинального режима (Р 2 = Р 2н ) могут быть рассчитаны аналитически или определены из графиков рабочих характеристик.

Министерство образования и науки Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

«Уральский государственный горный университет»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТРЕХФАЗНОГО

АСИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

С КОРОТКОЗАМКНУТЫМ РОТОРОМ

ОБЩЕГО НАЗНАЧЕНИЯ

(ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ИСПОЛНЕНИЯ)

МОЩНОСТЬЮ 15 кВт, ЧИСЛОМ ПОЛЮСОВ 2р=4,

СТЕПЕНЬЮ ЗАЩИТЫ IP

Пояснительная записка к курсовому проекту Разработчик, Руководитель проекта, Для частот сети, отличающихся от базисной f 1н, необходимо определить предварительные значения номинальных скольжений S н. пред.(f min, f max), которыми и надо пользоваться при расчёте рабочих характеристик при этих частотах.

Предварительные значения номинальных скольжений S н. пред (f min) при f min, U 1 min и S н. пред (f max) при f max, U 1 max рассчитаем по условию постоянства электрических потерь в обмотке ротора где I' 2н – приведённый номинальный фазный ток ротора при f 1н и U 1н. Следовательно, и при других значениях частот и напряжений приведённый фазный ток ротора должен быть равен номинальному при номинальном скольжении.

Из уточнённой Г-образной схемы замещения Решая это уравнение относительно S н(f1), получим При расчёте коэффициента k корректирующие коэффициенты U и f должны соответствовать значениям U 1 min, f min при вычислении S н пред (f min) и U 1 max, f max при определении S н пред(f max).

Корень квадратного уравнения выбираем по условию: 0Р эм.н >Р 2н, где Р эм.н = m 1 (I' 2н ) r' 2 /S н.

Ток холостого хода рассчитываем, решая уравнение 1 = 0 +(-' 2 ).

Для номинального режима (рис. 3.2) где I 0a = I 1на – I' 2на ; I 0р = I 1нр – I' 2нр, I 0 = I 02a + I 02p, i =arc tg(-I 0р /I 0a ).

При вычислении угла ток I 0а надо в формулу подставлять со своим знаком.

Для расчёта намагничивающего тока I µ и комплексного полного сопротивления контура намагничивания Z m повернём систему координат комплексной плоскости на угол - ab (см. рис. 3.2). В этом случае вектор ЭДС – 1 = ab совпадёт с осью вещественных чисел (+1)', а векторы магнитного потока m и намагничивающего тока µ – с осью мнимых чисел (-j)'. В системе координат ( ± 1)'– ( ± j)' ток холостого хода