метпособие. Методическое пособие.. Материалы для подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию оборудования
 Скачать 1.9 Mb.
|
|
I II I III Направление обхода 1-го контура 14 Рисунок 1.4 – Узлы и контуры в электрической цепи Для данной схемы: Число узлов N У = 4; Число ветвей N В = 6. Во многих задачах электротехники конечным результатом расчета является определение токов во всех ветвях схемы. При этом электрический режим схемы полностью определяется системой алгебраических уравнений в количестве, равном количеству ветвей N В с неизвестными токами. Из математики известно, что такая система имеет единственное решение. На схеме цепи проставляем предполагаемые положительные направления токов и составляем N У – 1 = 4 – 1 = 3 уравнений по первому закону Кирхгофа, а остальные N В – (N У – 1) = N В – N У + 1 = 6 – 4 + 1 = 3 уравнений по второму закону Кирхгофа. По рисунку 1.4, например, уравнения для узла «a» и для контура II – таковы: I 1 − I 2 + I 3 = 0; I 2 × R 2 – I 4 × R 4 + I 3 × R 3 = E 3 В контурах обязательно нужно выбрать направления их обхода (по часовой стрелке или против). ЭДС, совпадающие по направлению с направлением обхода контура считаются положительными, положительными считаются и падения напряжения I × R на резисторах (падения напряжения направлены по направлению тока через резистор), совпадающие с направлением обхода. Если в результате решения системы уравнений какие – либо токи получаются со знаком минус, это означает, что действительные направления этих токов противоположны предполагаемым. Электрический ток, проходя по проводнику, нагревает его. Количество выделившегося тепла пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени: Q [кал] = 0,24 ×I 2 [А] × R [Ом] × t [с]. Мощность, выделяемая в электроприемнике, зависит от напряжения и тока и равна их произведению. Основные формулы для мощности в цепи постоянного тока: 15 P = U × I; P = U 2 / R; P = I 2 × R. Электрический ток, проходя по жидким проводникам, вызывает изменение их химического состояния. Это явление может быть использовано с пользой. Например, гальваника – нанесение защитных и декоративных покрытий, электрохимическая обработка (ЭХО) металлов, обратимые электрохимические реакции в аккумуляторах. Есть и случаи вредного влияния электрохимических процессов при протекании электрического тока (окисление и нарушение контактов). Принципы работы электродвигателей Существует немало различных по принципу работы электродвигателей. Мы кратко рассмотрим работу трех наиболее распространенных типов электродвигателей: коллекторных, асинхронных с короткозамкнутым ротором и синхронных. Все эти типы электродвигателей в полном смысле слова можно назвать магнитодвигателями, так как вращение ротора в них происходит вследствие взаимодействия двух магнитов, один из которых расположен на неподвижной части двигателя – статоре, а другой – на вращающейся части, то есть роторе. Причем, это взаимодействие магнитов происходит в полном соответствии с известными для каждого с детских времен представлениями о магнитах: одноименными полюсами они отталкиваются, а разноименными – притягиваются. Здесь нужно сказать, хотя бы немного, о магнитном поле. Согласно теории академика В.Ф. Миткевича, магнитное поле состоит из множества невидимых магнитных силовых линий, обладающих рядом замечательных свойств, из них основными (ответственными за электромагнитные проявления) являются продольное тяжение и боковой распор: С магнитными явлениями люди были знакомы очень давно. Магнитный компас был изобретен еще в древнем Китае. Связь электрических и магнитных явлений была открыта значительно позднее – в первой половине 16 19-го века английским исследователем Фарадеем. Его идеи развил академик Миткевич В.Ф. – первая половина прошлого века. Известно, что магнитных полюсов два: северный N (норд) и южный S (зюйд). Силовым линиям магнитного поля, свойственны неуничтожимость и непрерывность и, также продольное тяжение и боковой распор. Миткевич В.Ф. в своей работе [11] показал физическую реальность магнитных силовых линий. [11. Миткевич В.Ф. Магнитный поток и его преобразования. Издательство Академии наук СССР. М. – Л. 1946 г.]. Магнитная индукция – величина, измеряемая количеством элементарных силовых линий, проходящих через единицу площади поперечного сечения пространства. Элементарная магнитная силовая линия – вихревая трубка эфира. Встречающееся во многих книгах и учебниках выражение «по проводнику потек ток, в результате чего вокруг проводника возникло магнитное поле» неверно. Нельзя считать, что электроток – первичное явление, а сопровождающее его магнитное поле – вторичное. Также неверно и обратное утверждение. Ток и магнитное поле – две стороны единого электромагнитного процесса. Магнитное поле стремящимися сократиться по длине, силовыми линиями старается «удавить» ток, а ток не «позволяет» им это сделать. Чем больше ток, тем шире раздвигается кольцо магнитных силовых линий и тем их больше. Все вещества, помещенные в магнитное поле, не остаются к этому равнодушными. Некоторые вещества немного увеличивают магнитное поле (парамагнетики), другие – немного уменьшают (диамагнетики). И есть класс веществ, которые увеличивают магнитное поле в тысячи и десятки тысяч раз. Такие вещества называют ферромагнетиками. Ферромагнетики – концентраторы магнитного поля. Устройство коллекторного электродвигателя (ЭД) схематично показано на рисунке 1.5. 17 Рисунок 1.5 − Принцип работы коллекторного электродвигателя 1 – Подковообразный постоянный магнит; 2 – Полюсные наконечники; 3 – Магнит с полюсными наконечниками – это индуктор; 4 – Секция обмотки; 5 – Ротор с обмотками, он же якорь; 6 – Коллектор; 7 – Щетки. На рисунке 1.5 показана только одна секция якорной обмотки, она расположена в пазах ротора (на рисунке не показаны). Концы секции обмотки присоединены к пластинам коллектора 6. В секцию через щетки 7 подается ток I. Магнитное поле не остается «равнодушным» к находящимся в нем проводникам с током, оно их «выталкивает». Усилия взаимодействия магнитного поля и проводников с токами по величине пропорциональны N S 1 2 3 4 N d F F S 5 6 7 N-N N-S S-N S-S I 18 величине тока, интенсивности поля (магнитной индукции) и длине активных проводников (той части проводников, которая расположена в магнитном поле), а по направлению – определяются правилом левой руки. Правило левой руки: Если расположить левую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление усилия. Усилие F действия поля на левые (по рисунку) активные проводники секции и такое же усилие F действия поля на правые (по рисунку) активные проводники секции образуют вращающий момент двигателя: М = F × d. Для электромашин приняты две пары взаимосвязанных терминов: индуктор – якорь и статор – ротор. Статор – это неподвижная часть электромашины, ротор – это вращающаяся часть. Индуктор – это та часть машины, в которой создается основной магнитный поток, якорь – это та часть машины, в которой происходит основное преобразование энергии. В конструкции, показанной на рисунке 1.5, подковообразный постоянный магнит с полюсными наконечниками создает основной магнитный поток, а в роторе (он же в данном случае и якорь) электрическая энергия преобразуется в механическую (энергию вращения). Не всегда индуктор в электрической машине на статоре, а якорь – на роторе. Например, в синхронных генераторах индуктор расположен на роторе, а якорь – на статоре. Правило левой руки вытекает из свойств магнитных силовых линий (продольное тяжение и боковой распор), подробнее об этом можно прочитать в [11]. Получение вращающего момента можно объяснить и взаимодействием магнита статора с магнитом ротора. На рисунке 1.5 показано отталкивание N – N и S – S, а также притяжение N – S и S – N. Назначение коллектора 6 заключается в том, чтобы ставить под ток ту секцию обмотки, которая в данный момент проходит под полюсами, при этом получается наивыгоднейшее использование взаимодействия проводника с током и магнитного поля. После поворота ротора двигателя по часовой стрелке (по рисунку 1.5) показанная секция свое дело выполнила и в строй 19 вступает следующая (соседняя) секция. Ток холостого двигателя постоянного тока составляет 7 … 15 % от тока при номинальной нагрузке на валу, пусковой ток – в 4 … 7 раз выше номинального. После разворота (набора оборотов) ток падает. Может возникнуть вопрос: Как же двигатель «узнает», что ротор набрал обороты, чтобы отреагировать на это уменьшением потребляемого тока? Дело в том, что в любой электромашине одновременно происходят два процесса: и двигательный и генераторный. Эквивалентную схему электродвигателя можно представить следующим образом (рисунок 1.6): Рисунок 1.6 – Эквивалентная схема электродвигателя Е ПР – ПротивоЭДС двигателя; Я – Якорь двигателя; I – Потребляемый двигателем ток. Генераторную сторону процесса представляет E ПР − ЭДС, наводимая в тех же самых активных проводниках ротора при их движении в основном магнитном поле (пересечении ими магнитных силовых линий поля). Независимо от того, какова причина относительного перемещения проводников и поля, независимо от того, протекает ли по проводникам ток, и независимо от того, что неподвижно (поле или проводники) причиной возникновения ЭДС в проводниках является взаимное перемещение поля и проводников. ПротивоЭДС пропорциональна числу оборотов двигателя. При пуске двигателя число оборотов начинается с нуля и, соответственно, начинается с нуля противоЭДС (при этом двигатель потребляет большой I E ПР Я 20 пусковой ток). По мере набора оборотов Е ПР увеличивается и, действуя встречно по отношению к источнику питания, уменьшает потребляемый двигателем ток. Точно так же двигатель реагирует и при увеличении нагрузки на валу, при этом ротор несколько замедляется, уменьшается и Е ПР , способствуя увеличению потребляемого тока. Все это полностью соответствует закону сохранения энергии. В качестве индуктора вместо постоянного магнита может быть использован электромагнит, его обмотка называется обмоткой возбуждения (ОВ). Такой электродвигатель показан на рисунке 1.7. Рисунок 1.7 – Коллекторный электродвигатель с возбуждением электромагнитом. Вращающий момент М = d · F Показано последовательное соединение индуктора (обмотки возбудителя) и якоря. Оно широко применяется в электроинструментах, так как обеспечивает высокий крутящий момент при малых оборотах. ОВ разделена на две половины. При этом ОВ может получать питание от отдельного источника питания (такие ЭД называются электродвигателями с независимым возбуждением). ОВ может питаться от того же источника, что и якорная цепь. Здесь возможны такие сочетания: N S N d F F S N-N N-S S-N S-S I I I ½ ОВ ½ ОВ 21 – ОВ и обмотка якоря включены параллельно (такие ЭД называются двигателями с параллельным возбуждением или шунтовыми); – ОВ и обмотка якоря включены последовательно, как на рисунке 1.7, (такие ЭД называются двигателями с последовательным возбуждением или сериесными); – часть витков ОВ включена параллельно обмотке якоря, другая же часть витков включена последовательно с нею (такие ЭД называются двигателями со смешанным возбуждением или компаундными). В заключение по коллекторным ЭД можно сказать, что ЭД с постоянными магнитами требует соблюдения полярности при подключении к источнику питания (перемена полярности приводит к изменению направления вращения), то есть они способны работать только при питании от источника постоянного тока. Коллекторные ЭД с возбуждением от электромагнитов могут работать при питании не только от источника постоянного тока, но и на переменном токе, так как при этом ток одновременно меняет свое направление и в ОВ и в обмотке якоря и направление вращения сохраняется. Недостатками коллекторных ЭД являются относительная сложность конструкции, ненадежность узла коллектор – щетки. Асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым (КЗ) ротором – это самые распространенные, самые простые и самые надежные двигатели. Их конструкция практически не изменилась с момента изобретения в начале 20- го века. В пазах статора асинхронного ЭД с КЗ ротором расположена трехфазная обмотка, которая, будучи сама неподвижной, создает вращающееся магнитное поле (рисунок 1.8). Короткозамкнутая обмотка ротора представляет собой беличье колесо, выполненное из алюминия и залитое в пазы ротора без всякой изоляции (рисунок 1.9), она не имеет никаких выводов для внешнего подключения, чем обеспечивается высокая надежность двигателя. 22 Рисунок 1.8 – Трехфазная обмотка статора асинхронного ЭД Лобовые части не показаны. Рисунок 1.9 – Короткозамкнутая обмотка ротора Она представляет собой беличье колесо. Внутри трехфазной обмотки статора образуется вращающееся магнитное поле, словно вращается стержневой магнит, показанный на рисунке 1.8. Причем, интенсивность магнитного поля (магнитная индукция) этого магнита постоянна независимо от положения (угла поворота) магнита, а сам он вращается с постоянной скоростью, равной 50 об / с, то есть 3000 об / мин. Если в расточку статора поместить любую болванку из проводящего материала, не обязательно ферромагнитного, то она будет увлекаться вращающимся магнитным полем. Вращаться стала бы и одна беличья клетка, ферромагнитный ротор служит, в основном, для заполнения воздушного пространства ферромагнитным материалом, так как воздушные зазоры очень сильно ослабляют магнитный поток вращающегося магнита. Скорость А В С N S 23 вращения ротора не может достигнуть скорости вращения поля, так как при выравнивании скоростей пропадает пересечение силовых магнитных линий активными проводниками беличьей клетки – причина, приводящая ротор во вращение. В асинхронном двигателе ротор всегда «проскальзывает» относительно вращающегося поля. Это явление так и называется: скольжение,обозначается, буквой s. n C – n s = –––––––. n C Скольжение при номинальной нагрузке на валу составляет 4 … 7 %. Здесь: n C – скорость вращения поля (синхронная скорость); n – скорость вращения ротора. Итак, в АД с КЗ ротором происходит взаимодействие двух магнитов: вращающегося магнита статора и магнита ротора, созданного наведенным в обмотке ротора (беличьей клетке) током. У синхронных машин, в отличие от машин асинхронных, магнит на роторе образован не наведенным током, а током от внешнего источника, подведенным через контактные кольца. Число оборотов ротора синхронного двигателя (СД) равно числу оборотов поля статора, то есть, по оборотам два магнита сцеплены, как бы через упругую муфту, без проскальзывания, но с возможностью углового сдвига между вращающимися магнитами. Возможности этой муфты не безграничны, и при достижении критической нагрузки на валу происходит разрыв этой муфты – срыв синхронизма. Упругая муфта допускает некоторый сдвиг по углу между магнитами, критическим является угол 90º. При этом «ведущий» магнит опережает ведомый на какой – то угол и «тянет» за собой «ведомый» магнит. У СД ведущим является магнит вращающегося магнитного поля статора, а у синхронных генераторов – питающийся от внешнего источника (источника возбуждения – возбудителя) магнит ротора. Все рассмотренные виды электромашин обратимы, то есть, могут работать в режиме двигателя и в режиме генератора. 24 Для любого двигателя (в том числе и не электрического) одной из важнейших характеристик является нагрузочная механическая характеристика – зависимость числа оборотов вала от момента сопротивления на валу (механической нагрузки) n = f(M C ). Различные виды нагрузочных механических характеристик показаны на рисунке 1.10. Рисунок 1.10 – Виды нагрузочных характеристик электродвигателей Характеристика 1-го вида называется абсолютно жесткой. По ней независимо от нагрузки на валу в интервале от нуля (холостой ход) до номинальной число оборотов вала не изменяется. Такую характеристику имеют синхронные электродвигатели. Характеристика 2-го вида называется жесткой, число оборотов вала в интервале от нуля до номинала незначительно снижается. Такую характеристику имеют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, самые распространенные двигатели. Третий вид характеристик относится к электродвигателям постоянного тока с последовательным возбуждением. Двигатели такого типа имеют высокий вращающий момент при малых оборотах. Это очень удобно для применения в электроинструментах. 0 n, об/мин М С , Нм Номинальный момент 3 1 2 25 Основы электроизмерений В этой части материала рассмотрим общие принципы электроизмерений, погрешности измерений, некоторые системы электромеханических (стрелочных) измерительных приборов. Во всех стрелочных электроизмерительных приборах на стрелку действуют два противоположных вращающих момента: момент М ИЗМ , связанный с измеряемой величиной – вращает стрелку вправо и момент противодействующий М ПР , стремящийся вернуть стрелку на нулевое деление шкалы. В большинстве приборов М ПР пропорционален углу отклонения стрелки. При равенстве М ИЗМ = М ПР стрелка устанавливается в устойчивое положение (рисунок 1.11). По горизонтальной оси откладываем угол поворота стрелки, по вертикали – моменты, действующие на стрелочный механизм. Рисунок 1.11 – Моменты, действующие на стрелочный механизм прибора М ИЗМ – Момент, соответствующий измеряемой величине, не зависит от угла поворота стрелки; М ПР – Момент противодействующий, пропорционален углу поворота стрелки; При равенстве этих моментов стрелка останавливается. α° М Н ач ало ш ка лы Кон еч ное д ел ен ие ш ка лы Показание на шкале прибора М ПР М ИЗМ |