Размещено на http://www.allbest.ru/

Кафедра автоматизированного электропривода и мехатроники

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ

по дисциплине: Электрические машины

на тему: Расчет характеристик трансформатора и электрических двигателей



Задание на курсовую работу

Тема: Расчёт характеристик трансформаторов и электрических двигателей

Исходные данные: параметры двигателя постоянного тока:

Параметры трансформатора:,соединёный по схеме звезда-треугольник - одиннадцать.



Содержание

Введение

1. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

1.1 Теоретический материал двигателя постоянного тока

1.1.1 Общие сведения

1.1.2 Конструкция и принцип работы

1.1.3 Механические характеристики ДПТ ПВ

1.1.4 Режимы торможения двигателя

1.2 Расчет характеристик двигателя постоянного тока

1.2.1 Электрическая схема включения двигателя параллельного возбуждения

1.2.2 Приведение к расчетной температуре сопротивлений

1.2.3 Определение номинального тока возбуждения и номинального тока якоря

1.2.4 Определение номинального момента на валу двигателя

1.2.5 Расчёт и построение на одном графике естественной и трех искусственных механических характеристик

1.2.6 Расчёт сопротивления пускового реостата

1.2.7 Определение величины сопротивления динамического торможения

1.2.8 Определение полных потерь мощности в двигателе при работе в номинальном режиме

1.2.9 Изменение КПД двигателя

2. Траснформатор

2.1 Теоритический материал трансформатора

2.1.1 Назначение и история развития трансформатора

2.1.2 Принцип действия трансформатора

2.1.3 Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора

2.2 Расчет характеристик трансформатора

2.2.1 Электрическая схема соединения обмоток трансформатора (рисунок 2.1)

2.2.2 Номинальные фазные напряжения

2.2.3 Коэффициент трансформации

2.2.4 Номинальные линейные и фазные токи

2.2.5 Изменение напряжения

2.2.6 Коэффициент полезного действия трансформатора

2.2.7 Нагрузку, при которой КПД трансформатора имеет наибольшее значение

2.3 Исследовательская часть трансформатора

Заключение

Список использованной литературы



Введение

трансформатор двигатель электрический ток

Известно, что уровень жизни и культуры человечества в первую очередь определяется уровнем получения и использования различных видов энергии. Именно использование энергии многократно увеличивает возможности человека. Экономический и военный потенциал любой страны в значительной степени определяется ее энергетическими ресурсами. Из всех видов энергии (механической, тепловой, химической, лучистой и др.) наиболее универсальной и удобной в применении является электрическая энергия.

Электрические машины в основном объёме любого производства занимают первое место. Они являются самыми массовыми приёмниками электрической энергии и одним из основных источников механической и электрической энергий. Поэтому очень важная роль отведена электрическим машинам в экономике и производстве.

Сделать электрические машины менее энергоёмкими, более дешёвыми с лучшими электрическими и механическими свойствами. Данная проблема, решаемая постоянно при проектировании машин новых серий. Проектирование электрических машин процесс творческий требующий знания ряда предметов общетехнического цикла, новинок производства в области создания новых конструкционных, изоляционных материалов, требований спроса рынка, условий применения в электроприводе. В настоящее время практикуется создание не индивидуальных машин, а серий электрических машин, на базе которых выполняются различные модификации.

При проектировании электрических машин конструктивные элементы должны быть рассчитаны так, что бы при изготовлении машины трудоёмкость и расход материалов были наименьшими, а при эксплуатации они должны обладать оптимальными энергетическими показателями с учетом современного мирового уровня изготовления, а также требований государственных и отраслевых стандартов.

Двигатели постоянного тока один из наиболее распространенных электрических машин. Особенно широко они используются в качестве электроприводов производственных механизмов и являются основными преобразованиями электрической энергии в механическую. В настоящее время двигатели постоянного тока потребляют значительную часть всей вырабатываемой в мире электроэнергии. Это объясняется рядом преимуществ двигателей постоянного тока, по сравнению с асинхронными машинами, хотя последние так же широко применяются на промышленных предприятиях.

Задачи, решаемые в процессе работы с двигателем постоянного тока: расчёт его основных параметров, а именно: токи якоря и возбуждения, сопротивлений якоря и возбуждения при рабочей температуре, номинальные момент и скорость двигателя, расчёт и построение его естественных и искусственных характеристик, Определение величины пускового реостата, а так же сопротивление динамического торможения.



1. Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением

1.1 Теоретический материал двигателя постоянного тока

1.1.1 Общие сведения

Двигатели постоянного тока применяются в различных промышленных, транспортных системах, в которых необходимо осуществлять плавное регулирование скорости вращения или выдерживать постоянство момента (прокатные станы, лифты, металлорежущие станки).

Электродвигатель постоянного тока (ДПТ) - электрическая машина постоянного тока, преобразующая электрическую энергию постоянного тока в механическую энергию.

Двигатель постоянного тока с параллельным возбуждением - это электродвигатель, у которого обмотки якоря и возбуждения подключаются друг к другу параллельно. Часто по своей функциональности он превосходит агрегаты смешанного и последовательного типов в случаях, если необходимо задать постоянную скорость работы

Эра электродвигателей берёт своё начало с 30-х годов XIX века, когда Фарадей на опытах доказал способность вращения проводника, по которому проходит ток, вокруг постоянного магнита. На этом принципе Томасом Девенпортом был сконструирован и испытан первый электродвигатель постоянного тока. Изобретатель установил своё устройство на действующую модель поезда, доказав тем самым работоспособность электромотора.

Разные ученые пытались создать экономичный и мощный двигатель еще с первой половины 19 века. Основой послужило открытие М.Фарадея, сделанное в 1821 г. Он обнаружил, что помещенный в магнитное поле проводник вращается. Отталкиваясь от этого, в 1833 г изобретатель Томас Дэвенпорт смог сконструировать двигатель постоянного тока, а позже, в 1834 г, ученый Б.С.Якоби придумал прообраз современной модели двигателя с вращающимся валом. Устройство, более похожее на современные агрегаты, появилось в 1886 г, и до сегодняшнего дня электродвигатель продолжает совершенствоваться.

Практическое применение ДПТ нашёл Б. С. Якоби в 1839, установив его на лодке для вращения лопастей. Источником тока учёному послужили 320 гальванических элементов. Несмотря на громоздкость оборудования, лодка могла плыть против течения, транспортируя 12 пассажиров на борту.

Электроприводы с ДПТ являлись до недавнего времени основным видом регулируемого ЭП с достаточно высокими показателями качества.

Наиболее распространенной серией двигателя постоянного тока остается серия - 2П в диапазоне мощностей от 0,13 до 200 кВт различного исполнения. Усовершенствование двигателей привело к разработке новой серии - 4П с улучшенными удельными показателями, где по сравнению с серией 2П снижена трудоемкость изготовления в 3 раза при уменьшении расхода меди на 30%. Для крановых механизмов выпускаются двигатели серии Д, для металлорежущих станков серии - ПБСТ, ПГТ.[1]

ДПТ ПВ при изменении нагрузки на валу в широких пределах мало изменяют свою скорость вращения, поэтому их применяют в тех случаях, когда важно, чтобы рабочая скорость механизма оставалась примерно постоянной (как при холостом ходе, так и нагрузке).

Преимущества и недостатки электродвигателей постоянного тока с параллельным возбуждением (ДПТ ПВ):

К достоинствам относится:

· Линейная зависимость характеристик электродвигателей постоянного тока (прямые линии) упрощающие управление;

· Легко регулируемая частота вращения;

· хорошие пусковые характеристики;

· компактные размеры.

Недостатки:

· ограниченный ресурс коллектора и щёток;

· дополнительная трата времени на профилактическое обслуживание, связанное с поддержанием коллекторно-щёточных узлов;

· ввиду того, что мы пользуемся сетями с переменным напряжением, возникает необходимость выпрямления тока;

· дороговизна в изготовлении якорей.

По перечисленным параметрам из недостатков в выигрыше оказываются модели асинхронных двигателей. Однако во многих случаях применение электродвигателя постоянного тока является единственно возможным вариантом, не требующим усложнения электрической схемы.

1.1.2 Конструкция и принцип работы

Электродвигатели постоянного тока по конструкции подобны синхронным двигателям переменного тока, с разницей в типе тока. В простых демонстрационных моделях двигателя применяли один магнит и рамку с проходящим по ней током. Такое устройство рассматривалось в качестве простого примера. Современные двигатели являются совершенными сложными устройствами, способными развивать большую мощность.

Главной обмоткой двигателя служит якорь, на который подается питание через коллектор и щеточный механизм. Он совершает вращательное движение в магнитном поле, образованном полюсами статора (корпуса двигателя). Якорь изготавливается из нескольких обмоток, уложенных в его пазах, и закрепленных там специальным эпоксидным составом.

Статор может состоять из обмоток возбуждения или из постоянных магнитов. В маломощных двигателях используют постоянные магниты, а в двигателях с повышенной мощностью статор снабжен обмотками возбуждения. Статор с торцов закрыт крышками со встроенными в них подшипниками, служащими для вращения вала якоря. На одном конце этого вала закреплен охлаждающий вентилятор, который создает напор воздуха и прогоняет его по внутренней части двигателя во время работы.

Принцип действия такого двигателя основывается на законе Ампера. При размещении проволочной рамки в магнитном поле, она будет вращаться. Проходящий по ней ток создает вокруг себя магнитное поле, взаимодействующее с внешним магнитным полем, что приводит к вращению рамки. В современной конструкции мотора роль рамки играет якорь с обмотками. На них подается ток, в результате вокруг якоря создается магнитное поле, которое приводит его во вращательное движение.

Для поочередной подачи тока на обмотки якоря применяются специальные щетки из сплава графита и меди.

Выводы обмоток якоря объединены в один узел, называемый коллектором, выполненным в виде кольца из ламелей, закрепленных на валу якоря. При вращении вала щетки по очереди подают питание на обмотки якоря через ламели коллектора. В результате вал двигателя вращается с равномерной скоростью. Чем больше обмоток имеет якорь, тем равномернее будет работать двигатель.

Щеточный узел является наиболее уязвимым механизмом в конструкции двигателя. Во время работы медно-графитовые щетки притираются к коллектору, повторяя его форму, и с постоянным усилием прижимаются к нему. В процессе эксплуатации щетки изнашиваются, а токопроводящая пыль, являющаяся продуктом этого износа, оседает на деталях двигателя. Эту пыль необходимо периодически удалять. Обычно удаление пыли выполняют воздухом под большим давлением.

Щетки требуют периодического их перемещения в пазах и продувки воздухом, так как от накопившейся пыли они могут застрять в направляющих пазах. Это приведет к зависанию щеток над коллектором и нарушению работы двигателя. Щетки периодически требуют замены из-за их износа. В месте контакта коллектора со щетками также происходит износ коллектора. Поэтому при износе якорь снимают и на токарном станке протачивают коллектор. После проточки коллектора изоляция, находящаяся между ламелями коллектора стачивается на небольшую глубину, чтобы она не разрушала щетки, так как ее прочность значительно превышает прочность щеток.

Конструкция ДПТ представлена на рисунке 1.1.1

Рисунок 1.1.1 Конструкция ДПТ

Постоянный магнит преобразовывает электрическую энергию в механическую через взаимодействие двух магнитных полей. Одно поле создаётся сборкой постоянными магнитами, другое -- электрическим током, протекающим в обмотках двигателя. Эти два поля приводят к крутящему моменту, который имеет тенденцию вращать ротор. Когда ротор вращается, ток в обмотках коммутируется, обеспечивая непрерывный выход крутящего момента.

Коммутатор состоит из проводящих сегментов (стержней) из меди, которые представляют собой завершение отдельных катушек проволоки, распределённых вокруг арматуры. Вторая половина механического выключателя комплектуется щётками. Эти щётки обычно остаются неподвижными с корпусом двигателя.

По мере прохождения электрической энергии через щётки и арматуру создаётся крутильная сила в виде реакции между полем двигателя и якорем, вызывающим поворот якоря двигателя. Когда арматура поворачивается, щётки переключаются на соседние полосы на коммутаторе. Это действие переносит электрическую энергию на соседнюю обмотку и якорь.[2]

Схема ДПТ представлена на рисунке 1.2.1

1.1.3 Механические характеристики ДПТ ПВ

Эксплуатационные свойства двигателей постоянного тока определяются механическими характеристиками -- зависимостью частоты вращения от вращающего момента.

Из всего семейства характеристик электропривода с ДПТ ПВ необходимо выделить одну характеристику - естественную, которая определяется при номинальном напряжении, номинальном магнитном потоке и отсутствием дополнительных внешних сопротивлений в якорной цепи.

Естественная механическая характеристика двигателя даёт основные представления об электромеханических свойствах двигателя. Она определяет его рабочую номинальную скорость и показывает статическое изменение скорости при изменении нагрузки. Чем выше модуль жёсткости, тем более стабильна работа при широких изменениях момента.

Для управления работой двигателя (пуск, торможение, регулирование скорости) осуществляются необходимые изменения параметров и воздействий, определяющих его механические и электромеханические характеристики. Такими параметрами и воздействиями являются: суммарное сопротивление якорной цепи , магнитный поток Ф, приложенное к якорной цепи напряжение U.Характеристики, соответствующие изменяемым параметрам двигателя или специальным схемам его включения, называются искусственными.

При реостатном способе регулирования сопротивление якорной цепи увеличивается , ограничивается ток короткого замыкания, уменьшается модуль жёсткости статической характеристики, скорость идеального холостого хода не изменяется, между током и моментом, если не учитывать реакции якоря, сохраняется пропорциональность, механические и электромеханические характеристики отличаются друг от друга только масштабом по оси абсцисс. Введение резисторов в якорную цепь двигателя является наиболее простейшим способом регулирования скорости электропривода, ограничения тока (момента) короткого замыкания двигателя, позволяет осуществить реостатный пуск.

Искусственные характеристики ДПТ ПВ, получаемые путем изменения магнитного потока ДПТ, используются главным образом для регулирования скорости. Этот способ находит широкое применение в автоматизированном электроприводе вследствие простоты его реализации и экономичности, так как регулирование осуществляется в относительно маломощной цепи возбуждения ДПТ.

Регулирование магнитного потока при использовании этого способа производится только в сторону его уменьшения (ослабления) по сравнению с номинальным за счет уменьшения тока возбуждения . Причины этого кроются в следующих двух обстоятельствах:

1.Увеличение магнитного потока должно вызываться соответствующим увеличением тока возбуждения ДПТ. Однако поскольку номинальный магнитный поток создается номинальным током возбуждения, то увеличение тока возбуждения выше номинального вызывает дополнительный нагрев ДПТ, что недопустимо.

2.Двигатель рассчитан и сконструирован таким образом, что его магнитная система близка к насыщению.

Показатели данного способа регулирования скорости ДПТ ПВ следующие: диапазон регулирования 3-4; прямая на графике уходит вверх от естественной характеристики(увеличение тока холостого хода);плавность регулирования определяется плавностью регулирования тока возбуждения; стабильность скорости достаточно высокая, хотя она и снижается при уменьшении магнитного потока. Способ экономичен, так как регулирование скорости не сопровождается значительными потерями мощности, а реализация его не требует больших капитальных затрат. Таким образом, регулирование скорости изменением магнитного потока целесообразно при постоянной механической мощности нагрузки, что обеспечивает полное его использование при работе на всех искусственных характеристиках.

Изменение механических характеристик напряжением, подведённого к якорю двигателя при номинальном потоке, является в регулируемом электроприводе основным управляющим воздействием. Как правило, изменение напряжения возможно только в сторону уменьшения от номинального, причём для мощных двигателей это ограничение является жёстким из-за ухудшения коммутации.

В отличие от ослабления поля, изменение напряжения позволяет не только изменять скорость, но и ограничивать ток короткого замыкания. Плавное изменение напряжения на якоре от обеспечивает плавность пуска двигателей.

На рисунке 1.2.2 показаны искусственные и естественные механические характеристики ДПТ ПВ

Рисунок 1.1.2 Естественные и искусственные характеристики ЭД

1.1.4 Режимы торможения двигателя

Выше была рассмотрена работа электропривода в двигательном режиме, чему соответствуют механические характеристики в 1 и 3 квадрантах. Однако, этим не исчерпываются возможные режимы работы электропривода и его механические характеристики. Весьма часто в современных электроприводах необходимо быстро и точно остановить механизм или изменить направление его движения. Быстрота и точность, с какой будут проделаны эти операции, во многих случаях определяет производительность машин и механизмов, а иногда и качество выпускаемой продукции. Во время торможения или перемены направления движения(реверса) электропривод работает в тормозных режимах на одной из механических характеристик, соответствующих осуществляемому способу торможения.

Для двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением возможны следующие тормозные режимы работы:

1) генераторное торможение с отдачей энергии в сеть (рекуперативное торможение);

2) динамическое торможение;

3) торможение противовключением.

Режимом рекуперативного торможения называют такой режим, когда электродвигатель при определенных режимах работы привода, в силу своей обратимости, становится генератором, преобразуя кинетическую энергию движущихся масс механизма в электрическую с отдачей ее в питающую сеть.

Переход электродвигателя в генераторный режим с отдачей энергии в сеть возможен при скорости привода, превышающей скорость соответствующего идеального холостого хода. При этом ЭДС двигателя, направленная противоположно напряжению сети, становится больше его, и ток в якоре электродвигателя меняет направление на обратное. Практически режим рекуперативного торможения может быть осуществлен:

1) при наличии отрицательного статического момента нагрузки, когда электродвигатель под его действием в сторону вращения, получив ускорение, достигает скорости, превышающей скорость идеального холостого хода;

2) при переходе электродвигателя с большей скорости, полученной ослаблением потока двигателя, на меньшую за счет резкого увеличения магнитного потока.

Механические характеристики в данном режиме при различных значениях сопротивлений в якорной цепи электродвигателя являются продолжением характеристик двигательного режима в области второго квадранта. С увеличением скорости при неизменном сопротивления величина тормозного момента возрастает. Увеличение внешнего сопротивления в цепи якоря при неизменном отрицательном статическом моменте на валу электродвигателя приводит к увеличению скорости привода.

Режимом электродинамического торможения называют такой режим работы электродвигателя, при котором его якорь отключается от питающей сети и замыкается на внешнее сопротивление, а обмотка возбуждения остается подключенной к сети. В этом режиме двигатель работает в режиме генератора с независимым возбуждением, преобразуя кинетическую энергию движущихся инерционных масс привода в электрическую, которая расходуется на нагрев сопротивлений в якорной цепи.

Механические характеристики в режиме динамического торможения расположены во втором квадранте и представляют прямые линии, проходящие через начало координат.

Тормозной момент возрастает с уменьшением тормозного сопротивления и наоборот. Наибольшего тормозного эффекта можно достигнуть при замыкании якоря двигателя накоротко.

По условиям ограничения тормозного тока замыкание якоря накоротко применяется только для двигателей малой мощности, обладающих сравнительно большим сопротивлением якоря, а также для всех остальных электродвигателей при торможении на малых скоростях.

Режимом противовключения называется такой режим работы, когда при вращении электродвигателя под действием инерционных масс привода в электродвигатель из сети поступает ток такого направления, которое соответствует вращению его в противоположную сторону.

Переход из двигательного режима в режим противовключения осуществляется изменением полярности напряжения на зажимах якоря.

При изменении полярности напряжения необходимо в цепь якоря двигателя ввести внешнее тормозное сопротивление, с тем, чтобы ток в нем, обусловленный суммой напряжения в сети и ЭДС электродвигателя, не превысил допустимого значения.

Механические характеристики в режиме противовключения линейны и расположены во втором квадранте. С уменьшением тормозного сопротивления тормозной момент возрастает и наоборот.

Режим противовключения может быть получен без изменения полярности напряжения на якоре двигателя при наличии активного момента сопротивления на его валу за счет введения в цепь якоря достаточно большого сопротивления. Установившаяся скорость вращения при этом находится в четвертом квадранте.[3]

1.2 Расчет характеристик двигателя постоянного тока

Двигатель постоянного тока параллельного возбуждения имеет следующие данные:

Таблица 1.2.1

Данные ДПТ ПВ

Номер варианта
	кВт	В	А	Об/мин	Ом	Ом
13	75	220	385	1000	0,0199	32,5	88,5

где - номинальная мощность двигателя;

- номинальное напряжение;

- номинальный ток, потребляемый из сети;

- номинальная частота вращения;

- сопротивление обмоток якоря и дополнительных полюсов при 20°С;

- сопротивление обмотки возбуждения при 20°С.

1.2.1 Электрическая схема включения двигателя параллельного возбуждения

Обмотки ротора и возбуждения подключаются параллельно к одному источнику питания. При таком включении ток через обмотку возбуждения в несколько раз меньше, чем через ротор. Характеристики электродвигателей получаются жесткими, позволяющие использовать их для привода станков, вентиляторов. Регулировка скорости вращения обеспечивается включением реостатов в цепь ротора или последовательно с обмоткой возбуждения:

Рисунок 1.2.1 Схема включения двигателя параллельного возбуждения



1.2.2 Приведение к расчетной температуре сопротивлений

При работе обмотки электрических машин нагреваются, что вызывает изменение их электрического сопротивления. Поэтому сопротивление обмоток необходимо, привести к расчетной температуре 75°С (в таблице вариантов даны сопротивления при 20°С) по формуле(1):

где б=0,004 -температурный коэффициент сопротивления меди

Сопротивление обмотки возбуждения при температуре :

Сопротивление якоря при температуре :

1.2.3 Определение номинального тока возбуждения и номинального тока якоря

Ток возбуждения находится по формуле(1.2)

Где , В

Подставим данные в формулу:



Ток якоря определяется по формуле(1.3):

где , А

, А

Получим ток якоря номинальный:

1.2.4 Определение номинального момента на валу двигателя

Номинальный момент находится по формуле(1.4):

где

Угловая скорость вращения определяется по формуле(1.5)

Где номинальная частота вращения, об/мин

Подставим значение номинальной скорости в формулу 1.5:

Номинальный момент двигателя равен:

1.2.5 Расчёт и построение на одном графике естественной и трех искусственных механических характеристик

А) Естественная характеристика.

Естественная механическая характеристика двигателя рассчитывается при

по формуле (1.6):

где , В

По формуле (1.7) можно найти магнитный поток

где , В

Подставим значения и получим магнитный поток равный:

,

Б)Реостатная характеристика.

Искусственная характеристика рассчитывается при сопротивлении регулировочного реостата в цепи якоря

,

В) Пониженное напряжение.

При пониженном напряжении на якоре

,

Г) Ослабленный магнитный поток.

При ослабленном магнитном потоке

,

Сведем в таблицу полученные данные и построим по ним механические характеристики на рисунке 1.1

Таблица 1.2.2

Результаты расчета механических характеристик

Тип механической характеристик		0
	М, Н·м
Естественная	, рад/с
При сопротивлении регулировочного реостата в цепи якоря
При пониженном напряжении на якоре
При ослабленном магнитном потоке

Рисунок 1.1 Типы механических характеристик

Определение процентного изменения скорости вращения для каждой характеристики

Процентное изменение скорости вращения можно определить по формуле(1.8):

где щ-угловая скорость при в=1

Естественная:

Реостатная:

При пониженном напряжении:

При ослабленном потоке:

1.2.6 Расчёт сопротивления пускового реостата

Расчёт сопротивления пускового реостата осуществим при пуске двигателя с Величина сопротивления пускового реостата может быть вычислена, исходя из следующего. Из уравнения электрического равновесия двигателя постоянного тока выражение для тока якоря будет по формуле:

Известно, что Е=kФщ. При пуске двигателя (в начальный момент пуска) щ=0, следовательно Е=0. Тогда ток якоря, назовем его пусковым, определится:

Пусковой ток при этом будет чрезмерно большим, превышающим в десятки раз номинальное значение, что опасно для двигателя. С целью уменьшения пускового тока последовательно с обмоткой якоря включают пусковой реостат. Тогда выражение для пускового тока будет по формуле (1.11):

Где , В

, Ом

Отсюда сопротивление пускового реостата определяется по формуле(1.12):

В зависимости от режима работы и условий пуска кратность пускового тока находится в пределах . В задаче кратность пускового тока можно принять

Окончательно выражение для определения сопротивления пускового реостата будет:



Определение тока якоря, который был бы при непосредственном включении двигателя в сеть, его кратность по отношению к номинальному значению и сделать выводы для возможности практического применения данного способа пуска.

Как видно из результатов пусковой ток превосходит номинальный в 6 раз, что недопустимо. Отсюда можно сделать вывод, что метод непосредственного включения для этого двигателя не рентабелен.

1.2.7 Определение величины сопротивления динамического торможения

Определение величины сопротивления динамического торможения при тормозном токе якоря . Тормозному режиму предшествует режим двигателя с номинальной нагрузкой и номинальной частотой вращения.

Для получения режима динамического торможения обмотка якоря отключается от сети (т.е. U=0) и замыкается на сопротивление динамического торможения Обмотка возбуждения, при этом остается включенной в сеть.

Ток якоря в режиме динамического торможения определяется по формуле(1.12):



Где E-ЕДС двигателя, В

Выразим сопротивление динамического торможения из формулы 1.12,получим:

Найдем ЭДС двигателя по формуле(1.13):

Где

Подставим данные и вычисли ЭДС

В

Теперь можем вычислить сопротивление динамического торможения



1.2.8 Определение полных потерь мощности в двигателе при работе в номинальном режиме

В номинальном режиме потери мощности двигателя постоянного тока с независимым возбуждением определяется по формуле(1.14):

Где

Подставим данные,получим

1.2.9 Изменение КПД двигателя

Исследование, как изменяется КПД двигателя, работающего при номинальной нагрузке, на реостатной характеристике, при пониженном на 40% напряжении, ослабленном на 20% магнитном потоке в сравнении с номинальным значением КПД, указанным в паспорте двигателя.

Номинальная нагрузка определяется по формуле(1.15):

Где

, рад/с

Естественная характеристика:

Реостатная характеристика:

Пониженное напряжение:

Ослабленный магнитный поток:

Вывод: Из полученных при расчёте механических характеристик двигателя постояного видно, что изменяя магнитный поток, напржение подводимое к обмотке якоря или вводя сопротивления в цепь якоря, можно регулировать частоту вращения двигателя.



2. Трансформатор

2.1 Теоретический материал трансформатора

2.1.1 Назначение и история развития трансформатора

Трансформатором называют статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции электрической энергии переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения при неизменной частоте.

Как правило, электрическая энергия вырабатывается там, где имеются энергетические ресурсы, т.е. на крупных реках и вблизи месторождений угля и газа. Потребители же энергии: крупные промышленные центры, большие города и населенные пункты -- находятся на значительном расстоянии от источников электроэнергии. Поэтому возникает необходимость передачи электрической энергии на дальние расстояния.

Особенностью электрической энергии является то обстоятельство, что одно и то же значение электрической мощности можно получить при разных ее параметрах: при низком напряжении и большом токе или при высоком напряжении и малом токе. В разных случаях требуется электроэнергия с разными параметрами и возникает необходимость изменять эти параметры, для чего и используют трансформаторы.

Принцип электромагнитного преобразования тока основан на явлении электромагнитной индукции, которое было открыто М. Фарадеем в 1831 г. Хотя это явление и использовалось позднее некоторыми учеными, но применение его для технических целей началось с работ П. Яблочкова, который впервые в 1876 г. применил устройство, имеющее разомкнутый сердечник с двумя независимыми обмотками, для питания электрических ламп -- «свечей Яблочкова». Это устройство позднее стали называть трансформатором. Трансформаторы с замкнутым сердечником и сам термин «трансформатор» появились значительно позднее -- в 1884--1886 гг.

Началом практического применения трансформаторов и развития трансформаторостроения следует считать 1890 г., когда в Германии приступили к сооружению первой в мире опытной линии электропередачи высокого напряжения протяженностью 175 км из г. Лауфена в г. Франкфурт-на-Майне. Эта трехфазная система тока была разработана русским ученым М.О. Доливо-Добровольским. Гидрогенератор тока, установленный в г. Лауфене, имел мощность 230 кВт при напряжении 95 В. Трехфазный трансформатор повышал напряжение в начале линии до 15 кВ. В дальнейшем напряжение линии электропередачи было повышено до 20 кВ. В конце линии напряжение понижалось до 65 В (фазное значение) и подавалось для питания трехфазного асинхронного двигателя. Трехфазные трансформаторы для передачи электроэнергии и асинхронный двигатель были построены немецкой фирмой AEG по проекту М.О. Доливо-Добровольского. К концу XIX и началу XX в. практически уже были созданы все основные типы электрических машин и разработаны основы их теории и методы расчета. Конструкция трансформатора, предложенная М.О. Доливо-Добровольским, практически не изменилась до наших дней. Однако технико-экономические показатели трансформаторов были существенно повышены благодаря улучшению свойств применяемых изоляционных и магнитных материалов, за счет усовершенствования конструкции магнитопровода и обмоток, а также оптимизации технологии их изготовления. Значительно повысились мощности трансформаторов и их напряжения. В настоящее время развитие электрических машин и трансформаторов идет по пути дальнейшего повышения их энергетических показателей, улучшения технологичности конструкций, снижения шума и вибраций.[4]



2.1.2 Принцип действия трансформатора

Принцип действия трансформатора основан явлении взаимной индукции. Если одну из обмоток трансформатора подключить к источнику переменного напряжения, то по этой обмотке потечет переменный ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток сцеплен как с одной, так и с другой обмоткой и, изменяясь, будет индуцировать в них ЭДС. Так как в общем случае обмотки могут иметь различное число витков, то индуцируемые в них ЭДС будут отличаться по значению. В той обмотке, которая имеет большее число витков W, индуцируемая ЭДС будет больше, чем в обмотке, имеющей меньшее число витков. Индуцируемая в первичной обмотке ЭДС примерно равна приложенному напряжению и будет почти полностью его уравновешивать. Ко вторичной обмотке подключаются различные потребители электроэнергии, которые будут являться нагрузкой для трансформатора. В этой обмотке, под действием индуцированной в ней ЭДС возникнет ток I2, а на ее выводах установится напряжение U2. которые будут отличаться от тока 11 и напряжения U1 первичной обмотки. Следовательно, в трансформаторе происходит изменение параметров энергии: подводимая к первичной обмотке от сети электрическая энергия с напряжением U1 и током I1 посредством магнитного поля передается во вторичную обмотку с напряжением U2 и током I2. Трансформатор нельзя включать в сеть постоянного тока. В этом случае магнитный поток в нем будет неизменным во времени и, следовательно, не будет индуцировать ЭДС в обмотках. Вследствие этого в первичной обмотке будет протекать большой ток, так как при отсутствии ЭДС он будет ограничиваться только относительно небольшим активным сопротивлением обмотки. Во избежание перегорания обмотки протекание такого тока допускать нельзя.

Обмотка трансформатора, потребляющая энергию из сети, называется первичной обмоткой. Обмотки трансформатора подключаются к сетям с разными напряжениями. Обмотка, предназначенная для присоединения к сети с более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а подсоединяемая к сети с меньшим напряжением, -- обмоткой низшего напряжения (НН). Если вторичное напряжение меньше первичного, то трансформатор называется понижающим, а если больше -- повышающим. В зависимости от включения тех или иных обмоток к сети каждый трансформатор может быть как повышающим, так и понижающим. Трансформаторы с двумя обмотками называются двух-обмоточными.[5]. Простейшая схема трансформации показана на рисунке 2.1.1

Рисунок 2.1.1 Простейшая схема трансформатора

2.1.3 Опыт холостого хода и короткого замыкания трансформатора. Опыт холостого хода (ХХ)

При опыте холостого хода трансформатора его вторичная обмотка разомкнута и тока в этой обмотке нет. Если первичную обмотку трансформатора включить в сеть источника электрической энергии переменного тока, то в этой обмотке будет протекать ток холостого хода , который представляет собой малую величину по сравнению с номинальным током трансформатора. В трансформаторах больших мощностей ток холостого хода может достигать значений порядка 5-- 10% номинального тока. В трансформаторах малых мощностей этот ток достигает значения 25--30% номинального тока. Ток холостого хода создает магнитный поток в магнитопроводе трансформатора. Для возбуждения магнитного потока трансформатор потребляет реактивную мощность из сети. Что же касается активной мощности, потребляемой трансформатором при холостом ходе, то она расходуется на покры­тие потерь мощности в магнитопроводе, обусловленных гистерезисом и вихревыми токами. Так как реактивная мощность при холостом ходе трансформа­тора значительно больше активной мощности, то коэффициент мощности cosц его весьма мал и обычно равен 0,2-0,3.По данным опыта холостого хода трансформатора определяется сила тока холостого хода , потери в стали сердечника и коэффициент трансформации К. Силу тока холостого хода измеряет амперметр, включенный в цепь первичной обмотки трансформатора. При испытании трехфазного трансформатора определяется фазный ток холостого хода. О потерях в стали сердечника судят по показаниям ваттметра, включенного в цепь первичной обмотки трансформатора. Коэффициент трансформации трансформатора равен отношению показаний вольтметров, включенных в цепь первичной и вторичной обмоток. Приборы при ХХ подключаются по рисунку 2.1.2

Опыт короткого замыкания (КЗ).

При коротком замыкании вторичной обмотки сопротивление трансформатора очень мало и ток короткого замыкания во много раз больше номинального. Такой большой ток вызывает сильный нагрев обмоток трансформатора и приводит к выходу его из строя. Поэтому трансформаторы снабжаются защитой, отключающей его при коротких замыканиях. При опыте короткого замыкания вторичная обмотка трансформатора замкнута накоротко, т.е. напряжение на зажимах вторичной обмотки равно нулю. Первичная обмотка включается в сеть с таким пониженным напряжением, при котором токи в обмотках равны номинальным. Такое пониженное напряжение называется напряжением короткого замыкания и обычно равно 5,5% от номинального значения.[6] По данным опыта короткого замыкания определяется напряжение короткого замыкания , его активная и реактивная составляющие, потери на нагревание обмоток трансформатора при номинальной нагрузке и активное, реактивное и пол­ное сопротивления трансформатора при коротком замыкании ,, и . Потери в обмотках указываются ваттметром. Приборы при КЗ подключается как на рисунке 2.1.3.

Рисунок 2.1.2 Опыт ХХ.

Рисунок 2.1.3 Опыт КЗ.



2.2 Расчет характеристик трансформатора

Таблица 2.1

Расчетные данные трехфазного трансформатора

Номер варианта	Тип трансформатора								Схема соединения и группа
13	ТС3-1600/15	1600	15,75	0,23	4,3	16,0	8,0	2,0	Y/ - II

Где - номинальная мощность трансформатора;

- номинальное линейное напряжение первичной обмотки;

- номинальное линейное напряжение вторичной обмотки;

- мощность потерь холостого хода;

- -мощность потерь короткого замыкания;

- напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки;

- ток холостого хода в процентах от номинального фазного тока первичной, обмотки.

2.2.1 Электрическая схема соединения обмоток трансформатора (рисунок 2.1.1)

Рисунок 2.1.1 Схема соединения трансформатора Y/Д - 11

2.2.2 Номинальные фазные напряжения

Так как первичная обмотка соединена в звезду, то номинальное фазное напряжение первичной обмотки равно:

где группы соединения

Вторичная обмотка соединена в треугольник, поэтому фазное напряжение равно линейному:

Подставим значения из таблицы данных:

2.2.3 Коэффициент трансформации

Расчетный коэффициент трансформации трехфазного трансформатора определяется отношением фазных напряжений в режиме холостого хода, которое практически равно отношению ЭДС, так как при разомкнутой цепи вторичной обмотки , а . Поэтому выражение для коэффициента трансформации можно записать как (2.2):

Где

Подставим данные:

2.2.4 Номинальные линейные и фазные токи

Номинальные линейные и фазные токи первичной и вторичной обмоток определяются по формуле(2.3):

Где

Так как соединение первичной обмотки , то

Так как соединение вторичной обмотки Д, то

Найдём линейные токи:

2.2.5 Изменение напряжения

Изменение напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора при нагрузках, равных: в= 0; 0,2; 0,4;. 0,6; 0,8; 1,0 и = 0,8. Построим внешнюю характеристику трансформатора.

Величину можно рассчитать по заданному коэффициенту нагрузки в, коэффициенту мощности и напряжению короткого замыкания , указываемого в паспорте трансформатора при неизменном напряжении на зажимах первичной обмотки. Воспользуемся формулой (2.4):

Где

В-коэффициент нагрузки

Активная составляющая напряжения короткого замыкания определяется по формуле(2.5):

Где -напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки, В

Угол между активным и полным сопротивлениями короткого замыкания находится по формуле (2.6):

Где

Полное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора определяется по формуле (2.7):

Где

Напряжение короткого замыкания в вольтах можно определить по формуле(2.8):

Где

напряжение короткого замыкания в процентах относительно фазного напряжения первичной обмотки

Подставим данные в формулу 2.8, получим:

Полное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора:



Активное сопротивление короткого замыкания фазы трансформатора определяется по формуле (2.9):

Где

Подставим данные:

Найдём угол между активным и полным сопротивлениями короткого замыкания:

Угол между реактивным и полным сопротивление короткого замыкания, то есть можно выразить через :

Активная составляющая напряжения короткого замыкания:

Реактивная составляющая напряжения короткого замыкания:

Подставим все полученные данные в формулу 2.4 и получим:

Напряжение на зажимах вторичной обмотки при различных нагрузках определяется по формуле(2.10):

Где

Подставим данные:

График внешней характеристики представлен на рисунке 2.2.2

2.2.6 Коэффициент полезного действия трансформатора

Коэффициент полезного действия з трансформатора при активно-индуктивной нагрузке c 0,8 и при нагрузках, равных: в = 0; 0,05; 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8; 1,0,Построить характеристику

Коэффициент полезного действия з трансформатора при активно-индуктивной нагрузке определяется по формуле (2.11):

Где

Подставим все данные и получим:

Полученные значения сведем в таблицу 2.2

Таблица 2.2

Результаты расчетов

0	0	0	230
0,05		-	-
0,1		-	-
0,2
0,4
0,6
0,8		4,448
1

График зависимости КПД от жесткости представлен на рисунке 2.2.3.

2.2.7 Нагрузку, при которой КПД трансформатора имеет наибольшее значение

КПД достигает максимального значения при такой нагрузке, когда магнитные потери равны электрическим потерям в обмотке .

Отсюда

Подставив полученное значение коэффициента, нагрузки в формулу КПД получим его максимальное значение по формуле 2.11:



Рисунок 2.2.2 Изменение напряжения

Рисунок 2.2.3 КПД трансформатора при активно-индуктивной нагрузке

2.3 Исследовательская часть трансформатора

1.Возможно ли присоединение к зажимам вторичной обмотки заданного Вам трансформатора несимметричной нагрузки?

Да возможно.

При соединении обмоток по схемам У/Д в обмотке Д могут протекать токи нулевой последовательности, но отсутствует причина их возникновения -- в замкнутом треугольнике I.U = 0. Здесь нет токов и потоков нулевой последовательности. В случае, когда нет токов нулевой последовательности, первичные и приведенные вторичные токи равны и противоположны по фазе (пренебрегая током холостого хода).

2.Объясните смысл понятия "Группа соединения обмоток" и его условное обозначение в Вашем варианте.

Группа соединения обмоток трансформатора характеризуется угловым смещением векторов линейных ЭДС обмотки НН по отношению к векторам линейных ЭДС обмотки ВН. Группа обозначается числом, которое следует умножить на 30, для получения угла смещения в градусах. Угол смещения всегда отсчитывается от вектора линейной ЭДС ВН по часовой стрелке до одноименного ЭДС НН.

Для определения группы соединений используют аналогию со стрелочными часами. Минутная стрелка часов совмещается с напряжением ВН и устанавливается на цифре 0 (12), а часовая совмещается с одноименным напряжением НН и указывает на группу соединения

Условное обозначение У/Д- 11 показывает, что обмотки соединены по схеме «звезда- треугольник», группа соединения 11, которая указывает, что вектор ЭДС НН отстает по фазе от вектора ЭДС ВН на угол или 0 градусов.

3. Влияние изменения числа витков первичной обмотки понижающего трансформатора при неизменном первичном напряжении на коэффициент трансформации n и напряжение на зажимах вторичной обмотки.

Коэффициентом трансформации называется отношение ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего напряжения. При практических расчетах коэффициент трансформации принимают равным отношению номинальных напряжений обмоток ВН и НН (формула 2.12):

Где, U1- напряжение первичной обмотки;

U2-напряжение вторичной обмотки;

w1-число витков первичной обмотки;

w2- число витков вторичной обмотки.

Коэффициент трансформации является одной из важнейшей характеристики понижающего трансформатора- где коэффициент трансформации должен быть n>1. Чтобы это условие выполнялось вторичная обмотка должна содержать меньшее число витков, чем первичная (.

Из формулы коэффициента трансформации следует, что увеличивая число витков на первичной обмотке понижающего трансформатора при неизменном напряжении напряжение на зажимах вторичной обмотки будет уменьшаться, а коэффициент трансформации увеличиваться, а при уменьшении числа витков на первичной обмотке увеличиться, n-уменьшится.

4.Исследование влияния характера нагрузки потребителей на изменение вторичного напряжения трансформатора при (активная нагрузка) и (активно-индуктивная нагрузка).

На основе формул из пункта 2.2.5 рассчитаем два вида нагрузки:чисто активную и активно-индуктивную.

Приведём расчёты при активной нагрузке (=1). В таком случае угол между реактивным и полным сопротивлением равен ,значит

При в=0:

При в=0.2: 0,,

При в=0.4: 0,4 ,

При в=0.6: 0,6 , В

При в=0.8: 0,8 , В

При в=1: 1 , В

Приведём расчёты для нагрузки при которой =0,6, а следовательно

При в=0:

По полученным результатам построить внешние характеристики на одном графике (рисунок 2.3) с характеристикой, соответствующей .



Рисунок 2.3 Внешние характеристики трансформатора при разных cosц

5.Как изменится вторичное напряжение и ток холостого хода , если первичную обмотку трансформатора вместо "звезды" соединить "треугольником"?

При изменение схемы первичной обмотки вместо «звезды» в «треугольник», напряжение U1 первичной обмотки будет увеличено в раз и будет равно линейному. При неизменном числе витков на первичной и вторичной обмотки, то напряжение U2 на вторичной обмотки так же будет увеличено в раз.



Заключение

Электрические машины являются основными элементами энергетических и электрических установок. Не одно производство на данный момент не обходится без электрических машин. Не смотря на то, что в силу прогресса, двигатели переменного тока стали наиболее актуальны, на предприятиях двигатели постоянного тока занимают неотъемлемую часть технологического процесса в определённых цехах.

Машины постоянного тока применяют в качестве электродвигателей и генераторов. Их широко используют для привода различных механизмов в черной металлургии (прокатные станы, кантователи, роликовые транспортеры), на транспорте (электровозы, тепловозы, электропоезда, электромобили), в грузоподъемных и землеройных устройствах (краны, шахтные подъемники, экскаваторы), на морских и речных судах, в металлообрабатывающей, бумажной, текстильной, полиграфической промышленности и др. Двигатели небольшой мощности применяют во многих системах автоматики.

Конструкция двигателей постоянного тока сложнее и их стоимость выше, чем асинхронных двигателей. Однако в связи с широким применением автоматизированного электропривода и тиристорных преобразователей, позволяющих питать электродвигатели постоянного тока регулируемым напряжением от сети переменного тока, эти электродвигатели широко используют в различных отраслях народного хозяйства.

Генераторы постоянного тока ранее широко использовались для питания электродвигателей постоянного тока в стационарных и передвижных установках, а также как источники электрической энергии для заряда аккумуляторных батарей, питания электролизных и гальванических ванн, для электроснабжения различных электрических потребителей на автомобилях, самолетах, пассажирских вагонах, электровозах, тепловозах и др.

Недостатком машин постоянного тока является наличие щеточноколлекторного аппарата, который требует тщательного ухода в эксплуатации и снижает надежность работы машины. Поэтому в последнее время генераторы постоянного тока в стационарных установках вытесняются полупроводниковыми преобразователями, а на транспорте- синхронными генераторами, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

При расчёте ДПТ было выявлено, что они имеют хорошие регулировочные свойства, значительную перегрузочную способность и позволяют получать как жесткие, так и мягкие механические характеристики. Регулирование скорости вращения данной машины можно осуществлять различными способами, а именно: введением в якорную цепь добавочных сопротивлений, изменением напряжения или магнитного потока. Изменение скоростных характеристик влечёт за собой уменьшение КПД. Наибольший КПД имеет естественная характеристика, то есть двигатель работает при всех номинальных значениях.

Путём изменения подводимого напряжения можно получить диапазон регулировании скорости от 10:1 до 100:1.Кроме того, при этом способе регулирования частоты вращения КПД двигателя практически остаётся неизменным. Реостатным способом регулирования можно уменьшать частоту вращения в широких пределах, вплоть до нулевых значений. Однако при низкой скорости вращения механические характеристики оказываются крутопадающими, что соответствует нестабильности его работы. Диапазон регулирования при номинальном моменте обычно не превышает 10:1.Из-за ограничения максимальной скорости регулирование изменением магнитного потока лежит в диапазоне (1.5…2,5):1.Увеличение механических потерь при повышении частоты вращения приводит к некоторому уменьшению их КПД.

Трансформаторы являются одним из основных видов электрооборудования, через них передается практически вся электроэнергия, вырабатываемая электрическими станциями, без них не может обойтись ни одна современная электротехническая установка. Поэтому им принадлежит ведущая роль в бесперебойном электроснабжении потребителей электроэнергии. Благодаря им можно получать электрическую энергию при наиболее удобном напряжении, передавать ее с минимальными потерями напряжения и использовать при напряжении, рассчитанном на любого возможного потребителя. Основная роль трансформаторов лежит в развитии энергетики и электрификации народного хозяйства. Несмотря на то что с момента создания первых трансформаторов прошло более века с четвертью, теория трансформаторов и методы их расчета с применением вычислительной техники продолжают развиваться, а их конструкция, технология изготовления и методы испытаний -- совершенствоваться.

Актуальным направлением исследований является разработка методов продления срока службы и оценки фактического состояния изоляции, прогнозирование оставшегося ресурса, т.е. срока безотказной работы трансформатора.

В ходе исследования трансформатора можно отметить, что наиболее благоприятная нагрузка для него-активная. При такой нагрузке потери напряжения на вторичной обмотке минимальны. Также можно отметить КПД трансформатора достигает максимального значения тогда, когда постоянные потери в стали становятся равными переменным потерям в меди. При отсутствии нагрузки КПД также равен нулю, так как в режиме холостого хода сохраняются неизменными лишь потери в сердечнике.

...