Электрические машины постоянного тока и трансформаторы ч. I презентация

Содержание, ч. I
Электрические машины постоянного тока.
Классификация электрических машин. Электротехнические материалы.
Основные законы электротехники, применяемые в электрических машинах.
Конструкция машин постоянного тока.
Обмотки машин постоянного тока.
Магнитная цепь машины постоянного тока.
Основные соотношения, характеризующие рабочие свойства и габариты машины.
Реакция якоря.
Коммутация в машине постоянного тока и способы ее улучшения.
Генераторы и двигатели постоянного тока.
Генераторы постоянного тока. Схемы включения. Основные характеристики.
Двигатели постоянного тока. Схемы включения.
Регулирование скорости вращения двигателей постоянного тока.
Электропривод постоянного тока.
Математическое описание машины постоянного тока.
Двигатели постоянного тока в системах электропривода. Примеры моделей.
Трансформаторы.
Конструкции.
Холостой ход, короткое замыкание. Приведение параметров трансформатора.
Уравнения для напряжений трансформатора. Векторная диаграмма и схема замещения.
Характеристики и КПД трансформатора.
Трехфазный трансформатор. Группы соединений. Примеры моделей.

Электрические машины постоянного тока
Классификация электрических машин
Среди многообразия электрического оборудования электрические машины занимают особое место.
Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью электрических генераторов и наборот - с помощью электрических двигателей.
Классификация электрических машин может производиться по различным признакам:
По назначению: генераторы и двигатели.
По роду тока и принципу действия: машины постоянного и переменного тока.
Машины постоянного тока – в качестве тяговых двигателей на транспорте (железнодорожный, городской внеуличный – трамвай, троллейбус, метро).
Машины переменного тока: асинхронные и синхронные генераторы и двигатели. Первые – в подавляющем большинстве применяются в качестве двигателей в промышленности, вторые – в качестве генераторов при производстве электрической энергии и мощных двигателей.
В отдельный класс вынесены трансформаторы - как статические устройства, преобразующие напряжение из одного вида в другой, как правило, одной частоты.
По конструктивному исполнению: машины на лапах с подшипниковыми щитами, с вертикальным валов и т.д.
По степени защиты: открытые, брызгозащищенные, взрывозащищенные и т.д.
По способу охлаждения: с воздушным, масляным, криогенным охлаждением и т.д.

Электрические машины постоянного тока
Материалы, применяемые в электрических машинах
Материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяются на 3 категории: конструктивные, активные и изоляционные.
Конструктивные материалы предназначены для передачи механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты и т.д.). Это сталь, чугун, цветные металлы.
Активные материалы – проводниковые и магнитные.
Проводниковые – в основном медь и алюминий.
Магнитные – листовая холоднокатанная электротехническая сталь. Свойства магнитных материалов определяются ГОСТ 21427 – 78.
Например, 1211, 1212, 1213,1311, 1312, 1411, 1412, 3411, 3412 и т.д.
Первая цифра – класс стали по структуре и виду прокатки, вторая – содержание кремния, третья – удельные потери по группам, четвертая – порядковый номер.

Электрические машины постоянного тока
Материалы, применяемые в электрических машинах
Изоляционные материалы: твердые, жидкие и газообразные.
Наибольшее применение получили твердые: бумага, слюда, стекловолокно, лаки, эпоксидные компаунды и т.д.
Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является их нагревостойкость, которая характеризуется предельно допустимой температурой. По ГОСТ 8865-70 изоляционные материалы подразделяются на 7 классов нагревостойкости:
Класс Y – бумага, шелк. Класс H – слюда, стекловолокно, асбест. Класс С – керамические материалы.

Электрические машины постоянного тока
Основные законы электротехники, применяемые в электрических машинах

Электрические машины постоянного тока
Основные законы электротехники, применяемые в электрических машинах

Электрические машины постоянного тока
Принцип действия и конструкция машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Элементы конструкции машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Элементы конструкции машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Обмотки машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Обмотки машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Обмотки машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Обмотки машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Обмотки машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Магнитная цепь машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Магнитная цепь машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Магнитная цепь машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
ЭДС якоря и электромагнитный момент

Электрические машины постоянного тока
ЭДС якоря и электромагнитный момент

Электрические машины постоянного тока
ЭДС якоря и электромагнитный момент

Электрические машины постоянного тока
Реакция якоря в машине постоянного тока. Магнитное поле при работе под нагрузкой

Электрические машины постоянного тока
Реакция якоря в машине постоянного тока. Магнитное поле при работе под нагрузкой
Магнитное поле машины при холостом ходе равномерное.
При отсутствии поля возбуждения, создаваемого главными полюсами, магнитное поле якоря создает магнитный поток в поперечном направлении относительно полюсов.
При работе машины под нагрузкой действуют одновременно две составляющие полей: поле главных полюсов и поле якоря, причем последнее направлено поперек поля полюсов. Это вызывает искажение магнитного поля в воздушном зазоре и в общем случае оказывает отрицательное воздействие на работу машины. Распределение поля в воздушном зазоре становится неравномерным: под одним краем полюса уменьшается, под вторым – увеличивается. Это приводит к тому, что в одних секция якорной обмотки наводится меньшая ЭДС, а в других - большая. При этом из-за большого градиента поля увеличивается напряжение между коллекторными пластинами.
В машинах постоянного тока применяют качественный и количественный учет реакции якоря. Детальнее с этими методами можно ознакомиться в рекомендованной литературе.

Электрические машины постоянного тока
Напряжение между коллекторными пластинами

Электрические машины постоянного тока
Коммутация в машинах постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Коммутация в машинах постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Способы борьбы с реакцией якоря
Реакция якоря в определенных условия может вызывать нежелательные по своим последствиям явления. Вследствие искажения поля под воздействием поперечной реакции якоря увеличивается напряжение между коллекторными пластинами. Если напряжение между смежными пластинами превышает 25 В, то между ними возможно появление электрической дуги. Такая единичная дуга может перерастать в мощную дугу, перекрывающую часть коллектора или перебрасываться от щеток одной полярности к щеткам другой. Это явление называется круговым огнем. Круговой огонь повреждает поверхность коллектора и выводит машину из строя.
Сдвиг щеток с геометрической нейтрали (для машин небольшой мощности).
Применяют воздушный зазор, минимальный под серединой полюса и расширяющийся по краям. При этом магнитное сопротивление для потока главных полюсов увеличивается в меньшей степени, чем для потока поперечной реакции якоря
Применяют компенсационную обмотку в машинах средней и большой мощности.

Электрические машины постоянного тока
Коммутация в машинах постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Схемы включения машин постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Генератор с независимым возбуждением
Основные соотношения, используемые в машинах постоянного тока основаны на законах Кирхгофа для электрической цепи.
Основные характеристики генераторов постоянного тока:
1. Характеристика холостого хода.
U=f(Iв) при Ia=0, n=const.
Подобна магнитной характеристике машины. Нижняя ветвь при увеличении тока возбуждения, верхняя – при уменьшении. Расхождение ветвей объясняется наличием гистерезиса в магнитопроводе машины.
2. Нагрузочная.
U=f(Iв) при Iн=const., n=const.
Подобна характеристике холостого хода, но проходит ниже ее. Разность ординат объясняется размагничивающим действием реакции якоря и падением напряжения в цепи якоря. В характеристическом треугольнике катет ВС – падение напряжения в цепи якоря, катет АВ – реакция якоря.

Электрические машины постоянного тока
Генератор с независимым возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Генератор с независимым возбуждением
4. Регулировочная характеристика Iв=f(Iа) при Uном = const., n=const.
Показывает, как надо менять ток возбуждения при изменении нагрузки (тока якоря), чтобы поддерживать постоянным напряжение генератора.
Достоинством генератора с независимым возбуждением является возможность регулирования напряжения в широких пределах от нуля до Umax путем изменения тока возбуждения. Другое преимущество генератора с независимым возбуждением – относительно малое изменение напряжения под нагрузкой.
Недостаток – необходимость внешнего источника постоянного тока для питания обмотки возбуждения.

Электрические машины постоянного тока
Генератор с параллельным возбуждением
Eост

Электрические машины постоянного тока
Генераторы с параллельным и смешанным возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Двигатели постоянного тока
По способу возбуждения двигатели постоянного тока различают:
С независимым;
С параллельным;
С последовательным;
Смешанным.

Электрические машины постоянного тока
Двигатели постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Двигатель постоянного тока с последовательным возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Характеристики двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением

Электрические машины постоянного тока
Режимы работы и обратимость машин постоянного тока
Двигатели со с мешанным возбуждением имеют 2 обмотки: параллельную и последовательную. В зависимости от направления потока, создаваемого той или иной обмоткой возбуждения можно получить промежуточные между подобными характеристиками двигателя с параллельным и последовательным возбуждением.
Двигатели постоянного тока с независимым (параллельным) и смешанным возбуждением могут быть переведены из двигательного в генераторный режим. Для двигателя с последовательным возбуждением требуется переключение обмотки на независимое возбуждение.
Генераторный режим позволяет возвращать энергию в сеть или другому двигателю, потребляющему в этот момент электрическую энергию. Тормозной режим (или противовключение) – когда момент сопротивления превышает момент, создаваемый двигателем и скорость вращения становится противоположной. Для двигателя режим опасен из-за перегрева обмоток и выхода двигателя из строя.

Электрические машины постоянного тока
Работа двигателя с рабочим механизмом.
Условия устойчивости

Электрические машины постоянного тока
Способы пуска в ход двигателей постоянного тока
Как правило, сопротивления подбираются таким образом, чтобы пусковой ток не превышал (1,4 – 1,7) Iн .
3. Пуск при пониженном напряжении. В этом случае требуется источник тока с регулируемым напряжением, например, генератор постоянного тока. В этом случае напряжение на двигателе можно плавно изменять, регулируя ток возбуждения генератора. Если применяется источник постоянного тока, то применяют силовые транзисторные устройства - широтно-импульсный преобразователь (ШИП).
Если источник тока – переменное напряжение, то возможны 2 варианта с применением силовых полупроводниковых приборов:
Управляемый выпрямитель (однополупериодный или двухполупериодный, однофазный или трехфазный) - УВ;
Сочетание УВ и ШИП.

Электрические машины постоянного тока
Полупроводниковые преобразователи в системах электропривода постоянного тока.
Управляемые выпрямители
Трехфазный однополупериодный УВ
Трехфазный двухполупериодный УВ

Электрические машины постоянного тока
Полупроводниковые преобразователи в системах электропривода
Транзисторные преобразователи
В области коммутируемых токов до 50 А, напряжений 600 – 1000 В и мощностей до 10 кВт в транзисторных преобразователях применяются в основном полевые транзисторы с изолированным затвором – транзисторы MOSFET.
В областях средних напряжений (до 4,5 кВ) и коммутируемыми токами до 1800 А запираемые тиристоры (GTO) применяются биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistors).
Для управления двигателями постоянного тока помимо управляемых выпрямителей используются широтно-импульсные преобразователи (ШИП).
Силовая часть схемы содержит четыре транзисторных ключа ТК1 – ТК4. В диагональ моста, образованного транзисторными ключами, включена нагрузка – двигатель постоянного тока. В электроприводах двигатель постоянного тока, как правило, управляется по цепи якоря. Питание ШИП осуществляется от источника постоянного тока, шунтированного конденсатором.

Электрические машины постоянного тока
Пуск в ход двигателя постоянного тока с независимым возбуждением. Виртуальная модель реостатного пуска.

Электрические машины постоянного тока
Потери и КПД в двигателях постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Потери и КПД в двигателях постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Потери и КПД в двигателях постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Потери и КПД в двигателях постоянного тока
Максимальный КПД в мощных машинах находится в пределах (0,75 – 0,9) I ном.

Электрические машины постоянного тока
Электропривод постоянного тока Математическое описание машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Электропривод постоянного тока Математическое описание машины постоянного тока

Электрические машины постоянного тока
Электропривод постоянного тока Математическое описание машины постоянного тока

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Передаточная функция двигателя с независимым возбуждением.

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Передаточная функция двигателя с независимым возбуждением.
Используя обозначение получаем передаточную функцию двигателя постоянного
тока с независимым возбуждением:
Для управляемых двигателей ,
поэтому где - коэффициент управления по скорости
(крутизна регулировочной характеристики);
- электромеханическая постоянная времени;
- угловая скорость в режиме холостого хода;
- номинальное напряжение.

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода
Модель двигателя постоянного тока с независимым возбуждением при двухзонном регулировании: по цепи якоря и цепи возбуждения..

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода
Модель ДПТ с независимым возбуждением и построением механической характеристики..

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода
Модель двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением.

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Двигатели постоянного тока в системах электропривода
Модель двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением и построением механической характеристики.

Моделирование электрических машин в системах электропривода
Электропривод постоянного тока Представление электрических машин постоянного тока в пакете SymPowerSysytems
Пиктограммы моделей, окно настройки и структура блоков машин постоянного тока в MATLAB, среда Simulink.

Моделирование систем электропривода
Пример модели электропривода постоянного тока.
Реверсивный электропривод постоянного тока с трехфазным управляемым выпрямителем

Трансформаторы
Назначение, конструкция, принцип действия
Трансформатор – статический электромагнитный аппарат, служащий для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины постоянной частоты.
Конструкция силового трансформатора

Трансформаторы
Назначение, конструкция, принцип действия

Трансформаторы
Назначение, конструкция, принцип действия
Классификация трансформаторов производится по следующим основным признакам:
Назначение. Силовые, согласующие и импульсные. Первые – предназначены для питания различных электротехнических устройств. Вторые подразделяются на входные, промежуточные и выходные. Могут работать как на фиксированной частоте, так и в полосе частот. Третьи – предназначены для формирования импульсов различной формы.
Количество обмоток. Одно-, двух-, многообмоточные. Однообмоточные –как правило, автотрансформаторы. Многообмоточные - часто всего силовые.
Число фаз. Однофазные и трехфазные
Рабочая частота. Промышленной и повышенной частоты. Мощные силовые трансформаторы, как правило, трехфазные, питаются напряжением промышленной частоты.
Напряжение. Высоковольтные и низковольтные
Мощность. Малые (десятки ВА), средние (сотни ВА), большие (до 109 ВА).
Конструкция. Броневой, стержневой и тороидальный.
Охлаждение. С воздушным и масляным.

Трансформаторы
Холостой ход идеального трансформатора
I1=I0 – ток в первичной обмотке;
Фσ1 – поток рассеяния первичной обмотки;
e1 – ЭДС, наведенная потоком Ф1;
Ф1 – основной поток, созданный током I1=I0 в первичной обмотке и равный потоку холостого хода Ф0;
eδ1 – ЭДС рассеяния первичной обмотки, наведенная потоком Фσ1;
e2 – ЭДС, наведенная основным потоком Фσ1.

Трансформаторы
Холостой ход идеального трансформатора

Трансформаторы
Холостой ход идеального трансформатора.
Коэффициент трансформации.

Трансформаторы
Работа трансформатора под нагрузкой
При нагрузке основной поток остается равным потоку холостого хода.

Трансформаторы
Уравнения равновесия ЭДС, напряжений и токов трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Схема замещения трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:
На основании системы комплексных уравнений можно представить схему трансформатора в следующем виде:
Такая схема не позволяет рассчитывать процессы в трансформаторе, т.к. первичная и вторичная обмотка имеют разрыв в электрической цепи и кроме того, разное число витков.
Для того, чтобы избежать разрыва электрической цепи между первичной и вторичной обмотками, необходимо рассмотреть некоторый фиктивный трансформатор, у которого число витков первичной и вторичной обмоток равны. При изменении числа витков одной из обмоток ее параметры должны быть изменены так, чтобы энергетические соотношения, определяющие процессы в трансформаторе были сохранены.
Как правило, приводят параметры вторичной обмотки к параметрам первичной, при этом все приведенные величины обозначаются теми же буквами, но со штрихом.

Трансформаторы
Схема замещения трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Схема замещения трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:
Точками А и В приведенного трансформатора обозначены одинаковые потенциалы, поэтому схему замещения можно представить в виде:

Трансформаторы
Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Опытное определение параметров схемы замещения трансформатора
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Упрощенная схема замещения и ее векторная диаграмма
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Упрощенная схема замещения и ее векторная диаграмма
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Изменение напряжения трансформатора при нагрузке.
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:
Векторная диаграмма трансформатора при активно-емкостной нагрузке

Трансформаторы
Внешняя характеристика трансформатора.
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:
Внешняя характеристика трансформатора:
U2=f(I2) при U1=Uн=const, f=const, cos ϕ = const.
Вид внешней характеристики трансформатора определяется не только величиной нагрузки, но и ее характером (активной, активно-индуктивной, активно-емкостной).
У трансформатора большой мощности малое активное сопротивление. Поэтому при активно-емкостной нагрузке напряжение может возрастать.
В маломощных трансформаторах большое активное сопротивление, поэтому в них основным падением напряжения является падение на активном сопротивлении, поэтому при любом виде нагрузки внешние характеристики являются падающими.

Трансформаторы
Потери и КПД трансформатора.
Уравнения равновесия ЭДС и напряжений трансформатора в комплексной форме:

Трансформаторы
Потери и КПД трансформатора.

Трансформаторы
Трехфазный трансформатор

Трансформаторы
Трехфазный трансформатор. Группы соединения трехфазного трансформатора
Обмотки трехфазных трансформаторов соединяются тремя способами:
В звезду;
Треугольник;
Зигзаг.
Сдвиг по фазе между линейными напряжениями – 120 градусов.

Трансформаторы
Трехфазный трансформатор. Группы соединения трехфазного трансформатора
Для того, чтобы можно было различать схемы включения трехфазных трансформаторов, вводится понятие групп соединения.
Группа соединения определяется углом между векторами линейных напряжений соответствующих обмоток трансформатора (по аналогии со стрелками часов).
Для схем соединения звезда/звезда существуют только четные группы, для схем звезда/треугольник – только нечетные группы.

Трансформаторы
Трехфазный трансформатор. Условия включения на параллельную работу
Экономически целесообразно иметь несколько трансформаторов, включенных параллельно на общую нагрузку.
При этом необходимо, чтобы при холостом ходе в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью.
Для этого необходимо выполнить следующие условия:
Вторичные напряжения трансформаторов должны быть равны, при этом трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации.
Трансформаторы должны иметь одну группу соединений. Это означает, что ЭДС вторичных обмоток будут совпадать по фазе и между ними не будет разности ЭДС, следовательно не будут возникать уравнительные токи.
Чтобы нагрузки распределялись между трансформаторами пропорционально их мощности, они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания.

Трансформаторы
Трансформаторы в устройствах АТС на железнодорожном транспорте.
Путевые трансформаторы типа ПОБС и ПТМ.
ПОБС: П – путевой; О – однофазный; Б – броневой.
ПТМ: П – путевой; Т – трансформатор; М – малогабаритный.
Используются в рельсовых цепях при частоте 50 и 75 Гц.
U1=110 – 220 В, S=300 Вт, вес – 6 – 9 кг (ПОБС)
ПТМ: U1 = 220 В, S=35 Вт, U2=0,3 – 7,35В, вес – 2,5 кг.
Путевые и релейные трансформаторы.
ПТ и ПТР – используются в качестве питающих и кодовых.
ПТР – в качестве изолировочных и согласующих.
U1 = 110 – 220В, U2 – до 16 В.
Сигнальные: СОБС, СТ – для питания ламп светофоров.
S = 10 – 150 ВА, U2 – от 10 до 16В при f=50Гц.
Линейные трансформаторы ОМ (Однофазные масляные). Используются для питания систем автоблокировки.
S=300 – 1200 ВА, U1=300В, 10кВ, U2 = 110 – 220В.
ТС – трехфазный сухой.
Для питания устройств сигнализации.
S=1,5 – 160 кВА.

Моделирование трансформаторов
Модель однофазного двухобмоточного трансформатора.