Учебно-методический блок «Электрические машины

НОРМАТИВНЫЙ БЛОК
Для специальностей и единичных квалификаций, связанных с производством, передачей и
потреблением электроэнергии; обслуживанием, монтажом и ремонтом соответствующих
устройств (сильноточная техника); связанных с производством электронной техники,
полупроводниковых приборов, вычислительной техники, радиотехнических устройств
(слаботочная техника) и единичных квалификаций по которым необходимо знать общие
основы электротехники.
Тематический план и содержание темы
Количество часов по предмету: 80
Количество часов по теме: 10 (условно)
Составлен на основе типовой учебной программы для профессионально-технических
учебных заведений, утвержденной МО РБ 11. 04.2001 г.
Наименование темы урока
Электрические машины постоянного тока
Лабораторная работа «Испытание генератора постоянного
тока с параллельным возбуждением (снятие характеристики
холостого хода, внешней и регулировочной характеристик)»
Асинхронные электродвигатели.
Трехфазные синхронные генераторы.
Лабораторная работа «Испытание трехфазных асинхронных
двигателей с короткозамкнутым ротором (снятие
механической и рабочих характеристик)»
Синхронный электродвигатель.
Специальные электрические машины.
Количество
часов
2
2
2
2
2
Цели изучения
темы
Наименование и
Результаты
содержание темы
1. Генераторы постоянного тока
Сформировать
Назначение, устройство и
Объясняет
назначение,
знания , о генерато- принцип
действия.
Схемы устройство и принцип дейстрах постоянного то- включения обмотки возбужде- вия генераторов постояннока.
ния. Внешняя и регулировочная го тока; характеризует осохарактеристики.
Энергетиче- бенности схемы включения
ская диаграмма. Области при- его обмотки возбуждения;
менения.
анализирует внешнюю и регулировочную характеристики, энергетическую диаграмму.
2. Генераторы переменного тока
Сформировать
Однофазные и трехфазные
Объясняет
назначение,
знания о генерато- синхронные генераторы. На- устройство и принцип дейстрах переменного то- значение, устройство и принцип вия генераторов переменнока.
действия. Характеристика хо- го тока, анализирует хараклостого хода и внешняя харак- теристику холостого хода и
теристика. Энергетическая диа- внешнюю
характеристику,
грамма. Области применения. энергетическую диаграмму.
Параллельная работа син- Поясняет параллельную рахронных генераторов. Способы боту синхронных генератоих синхронизации и включения. ров, способы их синхронизаОсновные характеристики син- ции и включения; анализирухронных генераторов при их ет основные характеристики
параллельной работе.
синхронных
генераторов
при их параллельной работе.
3. Электродвигатели постоянного тока
Сформировать
Назначение, устройство и
Объясняет
назначение,
знания об электро- принцип
действия.
Схемы устройство и принцип дейстдвигателях постоян- включения обмотки возбужде- вия электродвигателей поного тока.
ния. Механические и рабочие стоянного тока; приводит
характеристики. Коэффициент схемы включения их обмотки
полезного действия (КПД). Спо- возбуждения;
анализирует
собы коммутации. Пуск, регу- механические и рабочие халировка скорости вращения и рактеристики,
энергетичеторможение.
Энергетическая скую диаграмму; объясняет
диаграмма. Области примене- способы пуска, реверсирония.
вания, регулировки скорости
вращения и торможения, области применения.
Цели изучения
темы
Наименование и
Результаты
содержание темы
1. Генераторы постоянного тока
Сформировать
Назначение, устройство и
Объясняет
назначение,
знания , о генерато- принцип
действия.
Схемы устройство и принцип дейстрах постоянного то- включения обмотки возбужде- вия генераторов постояннока.
ния. Внешняя и регулировочная го тока; характеризует осохарактеристики.
Энергетиче- бенности схемы включения
ская диаграмма. Области при- его обмотки возбуждения;
менения.
анализирует внешнюю и регулировочную характеристики, энергетическую диаграмму.
2. Генераторы переменного тока
Сформировать
Однофазные и трехфазные
Объясняет
назначение,
знания о генерато- синхронные генераторы. На- устройство и принцип дейстрах переменного то- значение, устройство и принцип вия генераторов переменнока.
действия. Характеристика хо- го тока, анализирует хараклостого хода и внешняя харак- теристику холостого хода и
теристика. Энергетическая диа- внешнюю
характеристику,
грамма. Области применения. энергетическую диаграмму.
Параллельная работа син- Поясняет параллельную рахронных генераторов. Способы боту синхронных генератоих синхронизации и включения. ров, способы их синхронизаОсновные характеристики син- ции и включения; анализирухронных генераторов при их ет основные характеристики
параллельной работе.
синхронных
генераторов
при их параллельной работе.
3. Электродвигатели постоянного тока
Сформировать
Назначение, устройство и
Объясняет
назначение,
знания об электро- принцип
действия.
Схемы устройство и принцип дейстдвигателях постоян- включения обмотки возбужде- вия электродвигателей поного тока.
ния. Механические и рабочие стоянного тока; приводит
характеристики. Коэффициент схемы включения их обмотки
полезного действия (КПД). Спо- возбуждения;
анализирует
собы коммутации. Пуск, регу- механические и рабочие халировка скорости вращения и рактеристики,
энергетичеторможение.
Энергетическая скую диаграмму; объясняет
диаграмма. Области примене- способы пуска, реверсирония.
вания, регулировки скорости
вращения и торможения, области применения.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
СОДЕРЖАНИЕ УРОКА
1.Теоретическая часть.
Начать объяснение темы можно с вопроса: «Где находят применение электрические
машины?» Далее на действующей модели «Машина постоянного тока» демонстрируется
возможность преобразования механической энергии в электрическую и наоборот. Даются
определения генератора и двигателя, отмечая, что в принципе любая электрическая
машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя.
Преподаватель объясняет, что такое обратимость машины, т. е. свойство электрической
машины изменять вид преобразуемой ею энергии.
Далее следует продемонстрировать фрагмент диафильма «Электрические машины
постоянного тока», откуда учащиеся узнают, что в зависимости от рода тока
электроустановки, в которых должна работать электрическая машина, подразделяют на
машины постоянного и машины переменного тока.
Учащимся из курса физика известно, что постоянный ток используется на транспорте, для
электролиза, питания большинства радиотехнических устройств. В общих чертах
учащиеся знакомы с устройством и назначением основных частей машины постоянного
тока.
Однако это не позволяет полностью исключить объяснение устройства и принципа
действия машин постоянного тока. При изложении материала следует сопровождать
рассказ демонстрацией наглядных пособий, натуральных образцов деталей машин,
плакатов, диапозитивов, показом фрагментов из кинофильма «Электрические машины».
Далее рассматривают различные виды внешних характеристик генератора постоянного
тока при различных способах возбуждения (различных схемах соединения обмоток
возбуждения): параллельном, последовательном, смешанном.
Следует рассказать об основных требованиях к электрическим двигателям, как то:
обеспечение пускового момента и возможность его регулирования; устойчивость работы в
рабочем режиме; возможность регулирования частоты вращения.
Материал будет значительно лучше усвоен, если постоянно привлекать учащихся к
решению небольших проблем, опираясь на знания, полученные ранее.
2. Практическая часть.
1.
С целью закрепления и обобщения материала учащимся предлагается ответить на
следующие вопросы:
- Из каких основных частей состоят машины постоянного тока?
- Как устроен статор, якорь, коллектор и щетки? Для чего они предназначены?
- Какой ток возбуждается в якоре генератора постоянного тока? Какой ток проходит по
нагрузке?
- Как классифицируются генераторы постоянного тока по способу возбуждения?
- По какому принципу работают двигатели постоянного тока?
- Как осуществить реверсирование двигателя постоянного тока?
- От чего зависит вращающий момент двигателя постоянного тока?
2. Отдельным учащимся выдать карточки-задания.
3. Подведение итогов
1. Проверка выполнения карточек-заданий.
2. Выставление оценок за ответы учащихся.
3. Анализ достижений целей урока.
4. Объявить тему и цель лабораторной работы, которая состоится на следующем занятии.
4. Домашнее задание
Самостоятельно по конспекту выучить тему урока.
БЛОК-КОНСПЕКТ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Электрификация промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта населения
обусловливает необходимость применения разнообразного электротехнического
оборудования. Одним из основных видов этого оборудования являются электрические
машины, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую
энергию и наоборот - электрической в механическую.
Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью
машин, называемых электрическими генераторами.
Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на электрических станциях
генераторами, снова превращается в механическую энергию для приведения в действие
различных машин и механизмов. Для этой цели применяются электрические машины,
называемые электрическими двигателями.
Электрические машины обладают свойством обратимости: каждый электрический
генератор может работать в качестве двигателя и наоборот. Однако каждая выпускаемая
на предприятии электрическая машина обычно предназначается для одного,
определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. При этом
оказывается возможным наилучшим образом приспособить машину для заданных
условий работы и добиться наивысшего КПД.
В зависимости от рода тока электрические машины подразделяются на машины
постоянного и переменного тока. Электрические машины изготавливаются на очень
широкие пределы мощности - от долей ватта до сотен тысяч ватт.
1. Генераторы постоянного тока
Устройство генератора постоянного тока
Генераторы постоянного тока состоят из следующих основных частей: статора 1, якоря 6,
коллектора 10 и щеток 13 (см. рис. 1а,б).
Статор 1 служит для создания магнитного поля машины и представляет электромагнит с
явно выраженными полюсами. Он состоит из полюсных сердечников 2 с наконечниками 3
и полюсных катушек 4. Полюсный наконечник имеет вогнутую форму для лучшего охвата
якоря и более плавного изменения магнитной индукции по его окружности. Полюсные
катушки изготавливаются из медного изолированного провода, надеваются на полюсные
сердечники и являются обмоткой возбуждения машины. При пропускании постоянного
тока по обмотке возбуждения статор машины создает мощное магнитное поле с
чередующимися полюсами.
Якорь в машинах постоянного тока является ротором и состоит из сердечника и обмотки
7. Для уменьшения потерь на вихревые токи сердечник якоря набирается из
изолированных друг от друга, листов электротехнической стали. В пазы сердечника
укладывается обмотка, тщательно изолированная от сердечника. В сердечнике имеются
продольные и поперечные отверстия, служащие для охлаждения якоря во время работы.
Кроме того, якорь обдувается с помощью вентиляционных лопаточек 11. Якорь крепится
на стальном валу 5, который установлен в подшипниках, вмонтированных в
подшипниковые щиты 12. Подшипниковые щиты крепятся болтами к станине машины и
служат опорой для якоря. Концы обмоток якоря с одной торцевой стороны припаиваются
к коллектору 10.
Концы обмотки возбуждения и якорной обмотки крепятся к зажимам коробки выводов
машины.
Для установки машины используются лапы 8, а для транспортировки - рем-болт 9.
Коллектор (рис.2) состоит из медных пластинок клинообразного сечения 1,
расположенных на валу якоря и изолированных друг от друга и от вала миканитом 2.
Пластинки крепятся на стальной втулке 3 при помощи нажимного конуса и гайки.
Внешняя поверхность коллектора цилиндрическая. Коллектор в генераторах служит для
выпрямления переменного тока, возбуждаемого в якоре при движении его в магнитном
поле.
Щетки (рис. 3) предназначены для снятия напряжения с якоря генератора и
изготавливаются в виде прямоугольных брусков из медных и графитовых порошков,
графитовыми, угольными. Щеткодержатель состоит из обоймы 4, в которую помещают
щетку 3, курка 1, представляющего собой откидную деталь, передающую давление
пружины 2 на щетку. Щеткодержатель крепят на пальце зажимом 5. Щетка снабжается
гибким тросиком 6 для включения ее в электрическую цепь машины. Все щеткодержатели
одной полярности соединены между собой сборными шинами, подключенными к
выводам машины. Одно из основных условий бесперебойной работы машины - плотный и
надежный контакт между щеткой и коллектором. Давление на щетку должно быть
отрегулировано, т.к. чрезмерный нажим может вызвать преждевременный износ щетки и
перегрев коллектора, а недостаточный нажим - искрение на коллекторе.
Принцип действия генератора постоянного тока
Схема генератора постоянного тока показана на рис. 4а. Здесь электромагнит NS является
статором, рамка ABCD - якорем, а два полукольца К1 и К2 - коллектором. Щетки
обозначены буквами Щ1 и Щ2.
В основу действия генератора положен закон электромагнитной индукции. При
пропускании постоянного тока по обмотке возбуждения статор машины создает мощное
магнитное поле с чередующимися полюсами.
При вращении рамки ABCD в магнитном поле электромагнита в ней будет
индуктироваться переменная ЭДС.
Действительно, когда проводник АВ проходит около северного полюса электромагнита,
то в нем индуктируется ЭДС, направление которой определяется по правилу правой руки
от А к В. При прохождении проводника АВ около южного полюса электромагнита в нем
индуктируется ЭДС в направлении от В к А. Аналогично можно сказать про часть рамки
CD.
Во внешней цепи в первом и во втором случаях ток будет проходить от щетки Щ1 к щетке
Щ2. Следовательно, при вращении рамки через нагрузочное сопротивление внешней цепи
проходит ток, постоянный по направлению, но меняющийся по величине, т.е.
пульсирующий (рис. 4,б). Для сглаживания пульсации в генераторах постоянного тока
якорь имеет обмотку, состоящую из ряда одинаковых многовитковых секций (рамок), а
коллектор состоит из большого числа пластинок.
Классификация генераторов постоянного тока
по способу возбуждения
Под возбуждением генератора понимается создание в нем магнитного поля, необходимого
для наведения ЭДС в обмотке якоря. Все генераторы постоянного тока подразделяются на
генераторы с независимым возбуждением и на генераторы с самовозбуждением.
Обмотка возбуждения генераторов независимого возбуждения (рис. 5,а) питается от
независимого постороннего источника постоянного тока (от сети постоянного тока, от
другого генератора постоянного тока или от аккумуляторной батареи). Цепь возбуждения
генератора электрически не связана с цепью якоря, поэтому величина тока возбуждения
зависит только от сопротивления цепи возбуждения и подводимого к ней напряжения.
Генераторами самовозбуждения называются генераторы, у которых обмотка возбуждения
питается от якорной цепи. Существует три типа генераторов самовозбуждения.
1. генераторы параллельного возбуждения (шунтовые), у которых обмотка возбуждения
подключается параллельно якорной обмотке (рис. 5б).
2. генераторы последовательного возбуждения (сериесные), у которых обмотка
возбуждения соединяется последовательно с обмоткой якоря и с цепью внешней нагрузки
(рис. 5,в).
3. генераторы смешанного возбуждения (компаундные), у которых на полюсах размещены
две обмотки возбуждения, одна из них подключена параллельно обмотке якоря, а другая последовательно с обмоткой якоря и внешней цепью (рис. 5г,д).
Процесс самовозбуждения генератора происходит следующим образом. При вращении
якоря в магнитном поле полюсов в якорной обмотке наводится ЭДС, называемая
остаточной, т.к. она наводится остаточным магнитным потоком Фост=(2-3)%Фном. Под
действием остаточной ЭДС по цепи возбуждения проходит ток IВ, который создает уже
большую ЭДС Еост+дЕ и больший ток возбуждения IВ+дIВ:
Процесс самовозбуждения генератора длиться до установления определенного тока
возбуждения, соответствующего определенному сопротивлению цепи обмотки
возбуждения. Самовозбуждение генератора возможно только при совпадении по
направлению остаточного магнитного потока и магнитного потока обмотки возбуждения.
Основными характеристиками генератора являются: характеристика холостого хода,
внешняя характеристика и регулировочная характеристика.
Генератор постоянного тока независимого возбуждения
Обмотка возбуждения генератора подключается к постороннему источнику постоянного
тока (рис. 7). Регулировочный реостат Rрег служит для изменения тока в обмотке
возбуждения, следовательно, магнитного потока Ф и ЭДС Е. Выводы якорной обмотки Я1
и Я2 подключены к сопротивлению нагрузки Rнагр.
Зависимость Е=f(IB) называется характеристикой холостого хода генератора. Эта
характеристика снимается при постоянной частоте вращения вала nном=const и при
отключенной нагрузке Rнагр=Ґ, IЯ=0. Эта же зависимость является характеристикой
магнитной цепи машины, имеет вид кривой намагничивания стали. Характеристика
начинается не с нуля, а с некоторого значения Еост=(2ё3)%Uном за счет остаточного
магнитного потока Фост. Первый участок является прямолинейным участком, так как
ФєIB, a EєФ.
При увеличении тока возбуждения сталь генератора насыщается и линейная связь между
током возбуждения и магнитным потоком нарушается. При дальнейшем увеличении тока
возбуждения наступает насыщение стали генератора, т.е. увеличение тока возбуждения
дает незначительное увеличение ЭДС Е. Характеристика Е=f(IB) имеет две ветви:
восходящую и нисходящую. При снятии восходящей ветви идет процесс намагничивания
генератора, а при снятии нисходящей ветви - размагничивания генератора. В итоге
получается петля гистерезиса, площадь которой прямо пропорциональна потерям в стали
генератора.
Внешняя характеристика
Характеристика снимается при постоянной скорости вращения якоря nном=const и при
постоянном сопротивлении цепи возбуждения Rрег= const. Характеристика имеет вид
кривой (рис. 6), наклонной к оси абсцисс, т.е. с увеличением тока якоря (тока нагрузки)
напряжение на зажимах генератора уменьшается. Напряжение генератора определим по
второму закону Кирхгофа для замкнутого контура, составленного цепью якоря и нагрузки:
U=E-IяRя.
Напряжение на зажимах генератора U с увеличением тока нагрузки Iя уменьшается
вследствие падения напряжения в цепи якоря ДUя= IяRя и уменьшения ЭДС Е в
результате размагничивающего действия реакции якоря. Номинальное изменение
напряжения генератора ДUном составляет (5ё15)% ДUном:
где U0 - напряжение холостого хода генератора;
Uном - номинальное напряжение. Регулировочная характеристика
Регулировочная характеристика (рис. 8) Iв=f(Iя) показывает, как нужно изменять ток
возбуждения генератора Iв при изменении тока якоря Iя, чтобы напряжение на зажимах
генератора оставалось постоянным.
Характеристика снимается при nном=const и U=const.
Генератор постоянного тока параллельного
возбуждения
Обмотка возбуждения генератора подключается параллельно якорной цепи, поэтому его
называют шунтовым генератором (рис. 9).
Реостатом Rрег регулируется ток возбуждения Iв. К выводам якорной цепи подключается
сопротивление нагрузки Rнаг.
Ток якоря Iя в этом генераторе складывается из тока возбуждения и тока нагрузки:
Iя= Iв+ Iнаг
Ток в цепи возбуждения Iв определяется по закону Ома
где U - напряжение на зажимах генератора;
Rо.в. - сопротивление обмотки возбуждения;
Rрег- сопротивление регулировочного реостата.
Обычно Iв=(2,5-3)% Iяном, т.е. ток возбуждения не превышает 3% от номинального тока
якоря.
Внешняя характеристика (см. рис. 10) генератора параллельного возбуждения имеет
больший наклон к оси абсцисс, чем характеристика генератора независимого
возбуждения. Это объясняется падение напряжения в якорной цепи ДUя= IяRя и
уменьшением ЭДС Е вследствие реакции якоря, а также уменьшением ЭДС Е вследствие
уменьшения тока возбуждения Iв.
Номинальное снижение напряжения ДU достигает 25-30% от номинального значения
напряжения генератора ДUном. Регулировочная характеристика Iв=f(Iя) представлена на
рис. 11. Генераторы параллельного возбуждения широко применяются на практике, так
как позволяют регулировать напряжение в широких пределах.
Генератор постоянного тока
последовательного возбуждения
Якорная обмотка включается последовательно с обмоткой возбуждения и нагрузкой (рис.
12), поэтому Iя=Iв=Iнагр.
При отключенном сопротивлении Rнагр напряжение генератора U=Еост, в режиме
нагрузки U=Е-(Rя+ Rо.в.) Iя, т.е. генератор возбуждается только при включенном
сопротивлении нагрузки. Внешняя характеристика (рис. 13) начинается не с нуля, а с
некоторого значения Еост, далее напряжение увеличивается до насыщения магнитной
цепи (точка Uном) и уменьшается с увеличением тока нагрузки.
Генераторы с последовательным возбуждением не используются на практике вследствие
сложности поддержания постоянного по величине напряжения нагрузки.