ЕЕ

~ 1 ~

Настоящите записки са предназначени за студенти от специалност

,,Електроенергетика и електрообзавеждане” при факултет

„Електротехника и електроника” на ТУ – Габрово. Те представлява

основните въпроси свързани с дисциплината „Електрически машини -

част 2”.

Изготви: Георги Ангелов

За контакт: ее_haskovo@abv.bg.

~ 2 ~

СЪДЪРЖАНИЕ:

№ Въпрос Страница

1. Принцип на действие на Постоянно Токовите Машини (ПТМ). Устройство на ПТМ.

Основни елементи. 3

2. Магнитна верига на ПТМ. 6

3. Намотки на ПТМ. Видове. Е.д.н. на ПТМ. 8

4. Реакция на котвата на ПТМ. 10

5. Комутация. 12

6. Средства за подобряване на комутацията. 14

7. Постоянно Токови Генератори (ПТГ). Видове ПТГ с независимо възбуждане.

Характериситики. 15

8. ПТГ с паралелно, последователно и смесено възбуждане. Характеристики. 17

9. Енергетична диаграма. Основно уравнение на напрежението е електро магнитен

момент на ПТГ. 20

10. Постоянно Токов Двигател (ПТД). Видове. ПТД със шунтово възбуждане,

характеристики, енергетична диаграма. Пускане в ход. 21

11. ПТД със последователно и смесено възбуждане. Характеристики. Пускане в ход. 25

12. Устройство и начин на действие на Синхронните Машини (СМ). 26

13. Взаимодействие между магнитните полета на индуктора и котвата, изразени чрез

пространствени вектори. 27

14. Магнитно поле и параметри на неявнополюсна и на явнополюсна машина. 28

15. Уравнение на напрежението на Синхронен Генератор (СГ). Векторни диаграми.

Характеристики. 29

16. Паралелна работа на СМ. 31

17. Ъглови характеристики на СМ. Статическо претоварване. Синхронизирана мощност

и момент. 32

18. Превъзбуждане и недовъзбуждане на СМ. V – криви. 34

19. СГ. Мощност, момент и работни характеристики. 36

20. Начини на пускане на синхронен конпенсатор. 37

21. Колебание и динамична устойчивост на СМ. 38

22. Синхронни микро машини с постоянни магнити. Реактивни синхронни двигатели. 39

23. Стъпкови двигатели. Синхронни тахо генератори. 40

24. Селсини. Завъртащи трансформатори. Безконтактни селсини. 41

25. Изпълнитилен двигател за постоянен ток. Тахо генератор за постоянен ток.

Специални постоянно токови генератори. 41

26. Специални ПТМ с постоянни магнити. Високомоментни ПТМ. 42

27. Еднофазни колекторни двигатели – индуктиране на е.д.н., въртящ момент,

комутация. Репулсионни двигатели.

43

28. Трифазни колекторни двигатели. Двигател „Щраге – Рихтер“ – устроиство, принцип

на действие, характеристики. 44

~ 3 ~

1в. Принцип на действие на Постоянно Токовите Машини (ПТМ). Устройство.

Основни елементи.

Развитието на ПТМ започва от 1831 година със откриването на закона на Фарадей за

електро магнитната индукция. През това време, се е преминало през следните четири

етапа на развитие:

Машините от магнитен електрически тип със постоянни магните;

Машините от електо магнитен тип с независимо възбуждане;

Машините от електо магнитен тип с самовъзбуждане;

Машините от многополюсен тип с усъвършенстван ротор.

Така през тези етапи в 1886 година, се стига до конструкцията на ПТМ притежаваща

всички основни черти на съвременната ПТМ, за която можем да приемем следното

определение:

„Постоянно токовата машина представлява електрическа машина, чиято

котвена намотка се свързва със електрическата мрежа за постоянен ток чрез

плъзгащи се контакти. Състоящи се от механичен преобразовател на

честотата (колектор и четков апарат)“

При работа на машината като генератор колектора играе ролята на механичен

изправител, а в режим на двигател на механичен инвертор. Приложението на ПТМ като

генератор напоследък се измества от постижението на електрониката, чрез сравнително

лесно преобразуване на променливотоковата енергия на постоянен ток. Въпреки това

можем да посочим примери в галванопластиката, електро химията.

За възбуждане на синхронни машини и за захранване на микропроцесорни системи при

номинална големина на пулсациите на постоянно напрежение ПТМ, се използват като

двигатели, защото притежават механична характеристика даваща възможност за широк

диапазон за регулиране на честотата на въртене при запазан коефициент на полезно

действие (к.п.д.) на машината. Главното и приложение е в електрическият транспорт

чийто механически характеристики удовлетворяват изискванията за електрическо

задвижване.

Съвременната ПТМ е съставена от: неподвижна част – статор, въртяща се част – ротор.

Отделени със въздушна междина. Статорът представлява редуктор, който се състой от

статорно тяло (корпус). На вътрешната основа са монтирани: главните и допълнителни

полюси. Към него се отнасят агрегатите, щитове и четковият апарат. Посредством

статора машината се монтира към фондаментите или към друга основа. Поради това, че

през статора се затваря основният магнитен поток той се изработва от материял имащ

достатъчна механична якост и голяма магнитна проницаемост. За по – малките машини

се използват тръби, а за по – големите прокат. Чугун не се използва, защото има малка

магнитна проницаемост. Главните полюси се набират във вид на пакет от изолационни

листове електро техническа стомана със дебилена ( mm). Тъй като магнитният

поток е постоянен листовете не се изолират един от друг. Пристягат се със шпилки и се

изолират един от друг. На тези полюси се поставя възбудителната намотка във вид на

полюсни бобини. Широко приложение намират ПТМ без възбудителна намотка, а

основният магнитен поток, се създава от постоянни магнити.

~ 4 ~

През 1885 година Метер добавя във конструкцията на машината допълнителни полюси

за подобряване условията на работа и преходният контакт на колектора. Намотките на

допълнителните полюси са значително по – малки от главните полюси. Тялото им се

изработва от конструктивна стомана. Допълнителните полюси се поставят между

главните. Включват се последователно на главните полюси. Затова трябва да бъдат

оразмерени за номиналният ток на постоянно токовата машина (ПТМ). Друга съставна

част на машината е котвата, която се състой от тяло, намотка положена в каналите на

колектора с четков апарат.

Формата на масивната част на първите ПТМ е била теобразна, но на съвременните

машини е от барабанен тип, изпълнена от листова електро техническа стомана с

дебелина 0,5 mm. Тези листове са изолирани един от друг с цел намаляване загубите от

вихровите токове при цикличното пренамагнитване от магнитното поле при полюсите.

Според вида на охлаждането котвеният пакет може да бъде с аксиални и радиални

конвекционни канали. Колекторът от вътрешната си страна, се притага със фланци. От

вътрешната страна панелите на колектора има форма на лястовидна опашка. В единият

край панелата има по – висока част наречена ухо на която, се запояват съединителни

проводници. Така събраният колектор се запресова на вала на машината при движиние

на котвата в посока обратна на часовниковата стрелка. Големината на индуктивното

е.д.н. (електро движещо напрежение) в един проводник ще бъде.

(1.1)

където:

- Вх – големина на магнитната индукция във въздушната междина;

- l – активна дължина на проводника;

- V – периферна скорост;

- l + V = const;

- C – const.

След изменение на е.д.н. в проводника в зависимост от времето ще се определя

разпределението на магнитната индукция под полюсите. Посоката на индуктираната

индукция може да се определи по правилото на дясната ръка. Формата на е.д.н. ще има

следната форма:

t t

Фиг. 1.1 Фиг. 1.2

За отвеждане на токът от въртящият се колектор се използва четков апарат (фиг. 1.3),

който включва четка, четкодържател, четкови болтове, четкова траверса и

токосъбирателни шини. Броят им е равен на броят на главните полюси. Четковата

траверса се монтирана лагерните щифтове на машината. Члез нея четките могат да се

завъртат така че да се установят в правилно положение спрямо полюса полюса, за до

може да се редуват. Процеса на преобразуване посредством колекторът

~ 5 ~

(преобразуването от променливо напрежение към постоянно напрежение). Статорът на

машината представлява двуполюсен магнит.

(-) (+)

A

B

B

Nα

Фиг. 1.3

комутацията ще бъде най – добра) с цел пулсациите на напрежение да се сведат до

минимум. В каналите на машината се поставят много навивки. Това довежда до

увеличаване на броят на колекторните навивки.

2

3

3

5

4

6

Фиг. 1.4

В тази диаметрална равнина е

разположена елементарната навивка

състояща се от еднонавивкова секция.

Началото и края на тази секция са

свързани със метални пръстени набити на

валове. Работната намотка се намира в

ротора и затова го наричаме котва.

Линията АВ се нарича „Геометрична

неутрална линия“. При въртене на котвата

със постоянна скорост в навивката

пресичаща „Ф“ ще се индуктира е.д.н..

При генератор за променлив ток мястото

за контактуване на четките не зависи от

ъгъла на завъртане на четковата траверса.

При ПТГ (Постоянно токов генератор)

мястото е фиксирано. Разположението е

на на полюсите N/S. За да понижават от

един полупръстен в другият се избира

момент, когато е.д.н. ще бъде „0“ (когато

където:

1 – корпус;

2 – главен полюс;

3 – болт;

4 – полюсна бобина;

5 – полюсен накрайник;

6 – допълнителен полюс.

~ 6 ~

2в. Магнитна верига на Постоянно Токовите Машини (ПТМ).

Магнитната система на ПТМ е явно полюсна и е аналогична на отвърнатата синхронна

машина.

Фиг. 2.1 Фиг. 2.2

3

1

2

ФЕ

Ео

FF

Фτ/2 Фτ/2

Индуктора с възбудителната намотка е в статора. Котвата с котвената намотка е в

ротора. Между главните полюси са поставени допълнителни. За подобряване на

комутацията. При образуване на магнитно поле на ПТМ при работата и под товар

участие взема токът през възбудителната намотка, както и м.в.н. (магнито

възбудителното напрежение) на възбудителната намотка и допълнителните полюси.

Магнитната характеристика получена по изчислителен път е линия преинаваща през

линията на кординатната система (фиг. 2.2.) и според степента на насищане се огъва по

отношение на абцисата, тя се определя като се снема стойността на възбуждане.

Кривите 2 и 3 се дължат на „хистерезиса“, а Е0 е е.д.н. от остатъчният магнетизъм.

Крива 1 е характеристика на празен ход (п.х.), която се намира между криви 2 и 3.

Определянето на намагнитващата сила за част от веригата, се извършва в следната

последователност:

Първо се определя магнитната индукция „В“ от зададеният магнитен поток:

(2.1)

- магнитен поток, който е зададен;

– площ;

– коефициент на запълване, ( )

След това се определя напрегнатостта „Н“:

(2.2)

- магнитна проницаемост.

След това се определя намагнитващата сила „F“:

(2.3)

- дължина на намагнитващата верига.

~ 7 ~

От тук нататък могат да бъдат определени намагнитващите сили на отделни части на

машината. Магнитната индукция „В“ на главните полюси се намират по следният

начин:

(2.4)

- ширина на полюса;

– дължина на полюса;

От кривата определяме „Н“ след товаопределяме намагнитващата сила „ “:

(2.5)

Магнитната индукция във въздушната междина, се определя по следният начин:

(2.6)

(2.7)

lu

Bδ

lu

bu

Bδ

τ

Фиг. 2.3

Фиг. 2.4

N

B

τ

(2.8)

Магнитният

(2.9)

Индукцията на машината по

дължина не се променя. При

машини 10 Kw тя е 0,5 T/s, а

при големите достига до стойност

1 T/s. След това се определя

намагнитващата сила на котвата

Независимо от концентрацията на магнитният поток

в зъбните колела. Поради голямата магнитна

проводимост известна част от магнитният поток

преминава през паралелна разположени канали.

При номинално насищане когато индукцията е 1,7 и

1,8 Т.

Магнитният поток преминаващ през каналите е

незначителен и може да се пренебрегне. Когато

индукцията „В“ е 1,8 [Т] тогава се приема, че

магнитният поток преминаващ през каналите е

изцяло сила [F] или м.д.с. (магнито движеща сила),

която ще бъде равна на: В≤1,8, а за индукция: В≥1,8

~ 8 ~

hδ

hз Фτ

ha

Фиг. 2.5

а в с

Fδ

Фиг. 2.6 При малките стойности на магнитният поток в началото на магнитопровода стоманата е

не наситена и за провеждане на потока с малка намагнитваща сила. Почти цялата

намагнитваща сила, се обуславя от превеждане на магнитният поток през въздушната

междина. Зависимостта е линейна защото въздуха има постоянна въздушна

проницаемост и по – голям поток. Стоманата се насища и за това е необходима

по – голама намагнитваща сила във въздушната междина, се изразходват 80 – 90 % от

потока.

(2.10)

Това влияе значително върху работата на машината.

3в. Намотки на Постоянно Токовите Машини (ПТМ). Видове е.д.н на ПТМ

Котвената намотка е взела важно участие в процеса на преобразуване на енергията. Много

често, се предавяват разнородни и противоречиви изисквания към намотките, а именно:

Намотките да бъдат изпълнени със най – добро използване на материала и всъщото

време да бъдат оразмерени за номинално напрежение и номиналин ток;

При зададен к.п.д намотката за се изпълни с минимален разход на материал, независимо

от типа на намотката.

Намотките имат следните класификация:

1) Простолистови;

2) Простовълнови;

3) Сложнолистови;

4) Сложновълнови.

Простите намотки образуват винаги една затворена в себе си система от проводници. Докато

сложните образуват една или няколко системи. Основен елемент на намотката е секцията.

Секция се нарича част от намотка на котвата, състояща се от една или няколко навивки

присъединени към две колекторни пластини. Еднонавивковите секции широко се използват в

машинити със средна и голяма мощност. Намотките на ПТМ са двуслойни в едната страна на

намотката, а другата страна в долният слой е на друг канал.

у2

Смесена намотка (жабешка намотка)

у2

у1

Проста вълнова намотка

Фиг. 3.1 Фиг. 3.2

~ 9 ~

Всяка секция се запълва с двата си края към отделна колекторна ламела, така се получава, че

броя на колекторните ламели е равен на броят на секциите „S“:

(3.1)

където:

– броят на секционните страни в канала;

– броят на каналите.

Реалният канал съдържа „ “ елементарни канала. „У1“ представлява стъпка и определя

ширината на секцията, която е равна на:

(3.2)

„У2“ представлява разтояние изразено в реални елементарни канала от 2. Активната страна на

дадена секция до първата активна страна на секцията. Тази стъпка се приема за отрицателно

число тъй, като движението при прехода, се извършва на ляво. „У“ представлява резултатна

стъпка и представлява разтоянието между съответните активни страни на две секции свързани

последователно.

(3.3)

(3.4)

където:

– колекторно деление.

Когато е „+1“ намотката е дясно ходовя, а когато е „-1“ намотката е ляво ходова. Ляво

ходовите намоткиимат удължени черни предни съединения, а това довежда до големи

разходина Макрел.

Фиг. 3.3

∑ (

) ∑ (3.6)

където:

– е.д.н.

∑

(3.7)

∫

(3.8)

⏟

(3.9)

Като се замести:

(3.10)

(3.11)

където:

Има два начина за изобразяване на намотките:

Първият е от колекторът (радиално);

Вторият начин е по – нагледен и по – добър, разкърната.

Първият начин представлява много претрупана намотка и затова е

по – малко приложим и труден за прилагане.

При въртене на ротора в магнитното поле с произволно взет проводник

е изведена следната формула:

𝑙𝑥 𝐵𝑛 𝑙 𝑉 (3.5)

Ако от „n“ на брой проводниции образува „2а“ паралелни клона 𝑁

, то всеки клон от намотката се състой от

𝑛

последователно

свързани проводника. При листовата намотка те са от единеят

полюс, а при вълновата при всички полюси с една и съща

полярност.

𝐶𝑒 𝑛 ф

~ 10 ~

– .

Вс

τ

У > τ

У < τ

У = τ

Фиг. 3.4

=

(3.11)

(3.12)

=

(3.13)

- където:

– .

= (3.14)

4в. Реакция на котвата на Постоянно Токовите Машини (ПТМ).

Изменението на основният магнитен поток на главните полюси под въздействие на

намагнитващата сила на тока, протичащ в котвената намотка, се нарича „реакция на котвата“.

Магнитното поле на мошината за постоянен ток при празен ход създавано от възбудителната

номотка и тово създавано от котвената намотка при „ “ при което четките са поставени в

геометрична неутрална линия „г.н.л.“ има следният вид:

Фиг. 4.1

г.н.л. г.н.л.

Ia = 0 Ia = 0IB = 0

Ia = 0

Тези две полета са при празен ход и при натоварване, а третото когато действат съвместно

образуват резултатно поле, което е изкривено. Това явление се нарича реакция на котвата.

Когато четките са в геометричната неутрална линия „г.н.л.“ реакцията е напречна. При това

положение, се предизвиква отслабване на полето от единият край на полюса и усилването му

под другият край. Вследствие на това оста на резултатното поле, се завърта по – посока на

въртене когато машината работи в режим на генератор, а когато е в режим на двигател в

обратна посока. Под влияние на напречната реакция на котвата г.н.л. за която индукцията е

нула, се премества на някакъв ъгъл „α“.

където:

У = τ – се нарича диаметрална стъпка;

У < τ – се нарича скъсена стъпка;

У > τ – се нарича удължена стъпка;

При диаметралните стъпки, се обхваща целият поток, който

обхваща части от другите две стъпки. Удължената стъпка се

среща рядко, тъикато има голям разход на метал. А при

скъсената стъпка има по – малко вложен мед и обхваща по –

малък поток. Използва се често моментът „М“.

~ 11 ~

ф.н.л.

ф.н.л.

г.н.л.

α

α

Фиг. 4.2

Г

Д

При наситена магнитна система намалението на потока в края на полюса, където полетата се

събират ще бъде по – голямо отколкото в този край. Това обяснява и факта, че насищането е

по – голямо където е по – силно резултатното поле. От това следва, че напречната реакция

предизвиква намаление на потока и действа намагнитващо.

От действието на реакцията на котвата се вижда, че се изменя магнитният поток на машината и

се преразпределя магнитната индукция от което следва, че четките трябва да се изменят от

г.н.л. да попаднат в ф.н.л., но от друга страна възбуждането трябва да се изменя така че да

конпенсира намагнитващото действие на реакцията на котвата. Това също води до изменение

на напрежението между две съседни колекторни ламели. Влиянието на м.в.н. на котвата върху

полето на машината има следният вид:

Фиг. 4.3

faBa

Където „fa“ е м.д.н. на напречната реакция на котвата и се изменя линеино по окръжността на

котвата. При ненаситена електрическа верига под деиствието на степента на насищане на двете

половини на полюсният накрайник е различно, тъй като двете полета са противопосочни и

насищането намалява. Тези неблагоприятни за нормалната работа на машината явления могат

да се намалят чрез конпенсиране посредством специална намотка наречена конпенсационна.

Тази намотка се свързва последователно с котвената, така че двете намотки да бъдат

конпенсационно свързани. Тази намотка подобрява работата на машината, но оскъпява и

осложнява конструкцията и.

Това ново положение, се нарича физическа неутрална линия „ф.н.л.“.

В режим на въртене е генератор по – посока на въртене, а в режим на

двигател в обратна посока. При това положение разположението на

тока е несиметрично на главните полюси. Това несиметрично

разпределение може да се замени с две взаимно перпендикулярни

токови системи. Ако четките се преместят на 90о под главните

полюси полето, се насочва по дължина на полюсите и реакцията, се

нарича надлъжна. Следствие на което тя оказва намагнитващо или

размагнитващо действие. Следователно, когато четките са в г.н.л.

реакцията на котвата е изцяло напречна и предизвиква деформиране

на резултатното магнитно поле. В другият случай възниква надлъжна

реакция, която създава м.д.н. на котвата противопосочна на м.д.н. на

полюсите и действа размагнитващо. При изместване на четките в

обратна посока това поле е намагнитващо. При ненаситена магнитна

система напречната реакция на котвата предизвиква само

изкривяване на полето във въздушната междина, но потока на полюса

се запазва.

~ 12 ~

5в. Комутация.

Комутация се нарича: „Процеса на преминаване на секция от един парарлелен клон в друг и

обръщане на посоката на тока в нея“.

Късозатворена секция

Фиг. 5.1 Периодът на комутацията, се определя със помоща на:

(5.1)

където:

– период на комутацията;

К – брой на пластините;

– брой на оборотите.

Основно уравнение на комутацията:

∑ ∑ (5.2)

Алгебричната сума от моментните стойности на индуктираните електро движещи сили в

контера са равни на алгебричната сума от пада на напрежение в отделни съпротивления на

контура. Ако има разлика в ширината на четките и колекторната ламела, се въвежда

коефициент на четко препокриване „βк“:

(5.3)

където:

– ширина на колекторната ламела.

При иследване на явленията на свързванията с комутацията на постоянно токовата машина

(ПТМ) се приема, че: „ВЧ = ВК“

( ) ( ) ∑ ⏟

(5.4)

където:

и – моментни стойности на токовете през ламела 1 и 2;

– токът в комутиращата секция;

– съпротивление на секцията;

– съпротивление на присъединените проводници;

и – съпротивление на четковият апарат мужду ламели 1 и 2 и четките;

∑ – е сума от е.д.н. в комутиращата секция.

Процеса на политично моделиране на четковият апарат зависи от много фактори: мощност (W),

ток(I) и площ на контакта. Тези уравнения се разписват в деференциална форма, затова се

срещат различно записани, а от там и имат различни теории. Техническата теория е направена

от Арион, която гласи че: „Съпротивлението на четковият контакт е постоянна величина и

независи от плътността, т.е. е в права линия.“

~ 13 ~

jФиг. 5.2

ΔUr

след което придобима следният вид:

(5.6)

където:

– допълнителен ток;

– основен ток на комутацията.

Знаменателите в предното уравнение (5.6) представляват съединенията на късо затворен контур

на секцията. Токът „ “ се разглежда като ток на късо съединение в затворена четка. Определя

се от индуктираното електро движещо напрежение в нея. В случая ∑ изменението на

основният ток на комутация в секцията, се определя само от изменението на и , което се

нарича съпротивление на комутацията. Следователно I = f (t) е линейна (фиг. 5.3):

Фиг. 5.3

i

ti i1

i2

Tktt

t

i

Фиг. 5.4

⏟

⏟

(5.8)

Фиг. 5.5

i

ti i1t

Фиг. 5.6

rk

Σe > 0

𝑖 𝐼𝐶 𝑖𝑖 𝐼𝐶 𝑖

> х ф

Заместваме в основното уравнение и решаваме спрямо „i“:

𝑖 𝑟 −𝑟 1

𝑟С+ +𝑟 1+𝑟 𝐼𝐶

∑ 𝑒

𝑟С+ +𝑟 1+𝑟 , (5.5)

При тази комутация стойността на плътността на тока остава

постоянна през цялото време. Вторият член „Тkt = 0“е по близко

до комутацията. Когато ∑ в този случай вторият член на

уравнението не се пренебрегва, това добавяне довежда до

криволинейни характеристики на комутацията, тоест правата ще

бъде следната (фиг. 5.4.):

Тези отклонения за нормални машини ни са големи и могат да се

пренебрегнат. В общият случай ∑ и към основният ток се

наслагва и допълнителен ток. Което може да се представи по

следният начин:

𝑖𝑘𝑔 ∑𝑒

𝑟𝑘, (5.7)

където:

𝑟𝑘 – съпротивление на комутация и представлява

знаменателя, който пренебрегваме.

~ 14 ~

От фигура 5.6 се вижда, че „ “ ще бъде положителен и ще се сумира с основният ток на

комутация, в следствие на това комутацията става бавна и се ускорява към края на тока.

Предният край се запазва значителен до края на комутационният процес, при което води до

искрене на четките.

t

Фиг. 5.7

i

Σe < 0

6в. Средства за подобряване на комутацията.

Средствата за подобряване на комутацията се свеждат до намаляване на „ “.

∑

(6.1)

От формулата се вижда, че това може да стане по два начина:

1) Чрез увеличаване на „ “;

2) Чрез намаляване на „∑ “.

Увеличаването на съпротивлението във веригата на комутиращите секции е чрез включване на

допълнителни съпротивления в съединителните проводници, между котвената намотка и

колектора. Това обаче води до загряване и намаляване на коефициентът на полезно действие

(к.п.д.) на машината и се явява нецелисъобразно. Този начин също не се явява най – добър, тъй

като тези четки допускат малка плътност на тока. Най – голямо съпротивление имат твърдите

въглеродо – графитни четки. Най – малко меките медно или бронзово – графитни четки.

Другият начин е чрез намаляване на реактивното е.д.н. (електро движещо напрежение), което

може да се осъществи посредством конструктивни решения при проектиране на машината,

които са следните:

Намалява се броят на навивките в секция;

Намалява се линейното натовалване;

Намалява се периферната скорост на котвата;

Намалява се дължината на машината;

Намалява се и коефициентът на Пихел – Майер „ζ“:

(6.2)

където:

– магнитна проводимост.

(6.3)

Линейното натоварване, се бележи с „А“ и той представлява:

(6.4)

Стойностите на периферната скорост и дължината се определят от номиналната стойност на

машината, следователно намаляването „lL“ на става по следният начин:

(6.5)

Двете съставки, се индуктират от един и същи поток свързан с комутираща секция:

В този случай „ 𝑘𝑔“ ще бъде с обратен знак и се свежда от

основният ток. Токовете I1 и I2 в началото се изменят бързо и

комутацията се нарича ускорена. При тези комутаций се

получават искрене в задната част на четката, което е сходно като

преместване на R - L - C верига тази комутация е нежелана. Леко

ускорена комутация е по – неблагоприятна.

~ 15 ~

(6.6)

Формула 6.6., се нарича формула на Пихер – Майер. Чрез намаляване на „W“ секция можем да

стигнем най – много до „W = 1“. Чрез изменение на коефициентът на Пихел – Майер, се

подобрява комутацията, но зависи от геометричните размери.

Най – простият начин за промяна на комутиращото поле е изместване на четките. При това

изместване електро движещото напрежение се създава „ек“ противопосочно на „er“ (ек → er ). В

реалните машинимогат да се създадат условия за достатъчно добра комутация в широк

диапазон за изменение на товара. При машините с паралелно възбуждане най – добър ефект, се

постига при определен товар. Най – ефективният начин е чрез създаване на комутационно поле

посредством допълнителни полюси. При машините с допълнителни полюси четките остават в

геометричната неутрална линия. За определяне на магнито възбудителното напрежение на

допълнителните полюси, се изхожда от условието за постигане на право линейна комутация и

такива ще има, кагато ек = er.

Метод за проверка на комутацията:

Фиг. 6.1

V

вu

1

2

Фиг. 6.2

ΔUy

3

Посредством Волтметър единият край на който се свързва с четката, а другия с колекторя,

посредством спомагателна четка придвижвана към въртящият колектор се изменя ΔUy.

При реална комутация плътността е цяла по цялата четка. При ускорена или забавена

комутация плътността в двата края се променя.

7в. Постоянно токови генератори (ПТГ). Видове .ПТГ с независимо възбуждане.

Характеристики.

В зависимост от възбуждането ПТГ биват с независимо възбуждане (електро магнитно или със

постоянни магнити) и със самовъзбуждане. Основните величини, които определят работата на

генераторите и влизат в характеристиките са:

Напрежение на изводите на генераторите – Ua;

Възбудителен ток – Iа;

Котвен ток – Iв;

Честота на въртене – n.

Според схемите на възбуждане имаме генератори с независимо възбуждане, паралелно

възбуждане, последователно и смесено възбуждане.

Постоянно токов генератор с независимо възбуждане:

Възбудителният ток е напълно независим от тока на товара и от напрежението на изходите на

машината. Главен недостатък е необходимостта от специален източник за възбудителен ток.

Основните характеристики на генератор с независимо възбуждане са:

Характеристика на празен ход;

Характеристика на късо съединение;

Външна характеристика;

Товарова характеристика;

Регулационна характеристика.

~ 16 ~

A

A

V

Г

-+

+ -

iв

rв

ВН

Фиг. 7.1

A

A

V

Г

-+

+ -

iв

rв

ВН

Фиг. 7.2

Д

1) Характеристика на празен ход:

Характеристиката на празен ход изразява зависимостта: ua = f (iв) при Ia = 0 и

n = const.

Четките на машината трябва да бъдат в геометричната неутрална линия (фигура 7.1.),

при „Iв = 0“ на изводите на генератора ще има известно напрежение, което е в границите

между 2% и 3% от номиналното и се дължи на остатъчният магнитен поток.

Ua

Uom

IвIвm

u

12

3

Фиг. 7.3 След това започва обратният цикъл с крива 3 и се образува хистерезисен цикъл или

просто хистерезис. Този хистерезисен цикъл се дължи на хистерезисъс в магнитната

верига на индуктора.

ф ф (7.1)

От уравнение 7.1 се вижда, че напрежението е правопропорционално на възбудителният

ток. Тази характеристика дава възможност да се съди за насищането на магнитната

система на машината при номинално насищане.

2) Характеристика на късо съединение:

За намирането на характеристиката на късо съединение се използва фигура 7.2. Тя се

определя със зависимостта на: Iк = f (iв) при „U = 0“ и „n = const“.

Iв

Ik

I k =

(1

,25

– 1

,5)I

н

Фиг. 7.4 Затова е необходимо графиката да започва да се снема от стойност равна на нула и да

достигне стойност за ( ) .

С изменение на възбудителният ток от 0 до

максималната му стойност напрежението расте по

крива 1. След насищането на машината нараставането

става бавно до стоиност „Uom“. На нея съотведства

стойност „Iвm“. U𝑜𝑚 ( )𝑈

След достигане на максимална стоиност започва

обратно намаление на „Iв“.

Генераторът се завърта с честота на въртене „n = nном“ и

котвата се затваря на късо чрез Амперметър. На

възбудителната верига се подава възбудителен ток чрез

реостатът „rв“. В този случай напрежението ще бъде нула,

следователно:

𝐸𝑎 𝐼𝑎 𝑅𝑎 (7.2)

При „n = 0“ от основното уравнение на Генераторът.

Тъй, като 𝑅𝑎 е малко следва, че и 𝐸𝑎 ще е малко.

~ 17 ~

Поради това, че магнитната система на машината е ненаситена характеристиката е

права линия. При следствие на остатъчният магнитен поток токът на късо

съединение “, затова преди опита възбудителната намотка трябва да се захрани с

обратен поляритет. Тогава характеристиката ще започне от „0“ показано с прекъснатата

линия.

3) Външна характеристика:

Изразява зависимостта на : ua = f (I) при „iв = const“ и „n = const“.

Iа

Ua

Фиг. 7.5

Uн Δu

След което машината се разтоварва до „I = 0“, при това напрежението ще нарастне със

ΔU%, и се нарича номинално в проценти, т.е.:

(7.5)

където: се движи в границите ( )

4) Товарна характеристика:

Изразява зависимостта на : ua = f (Iа) при „Iа 0 = const“

Поради реакцията на котвата и следствие пада на напрежение, тя ще лежи по – ниско от

характеристиката на празен ход.

5) Регулационна характеристика:

Изразява зависимостта на : iв = f (Iа) при „ua = const“ и „n = const“.

-

IаФиг. 7.6

Iв

8в. Постоянно токови генератори (ПТГ) с паралелно, последователно и смесено

свързване. Характеристики.

I. ПТГ с паралелно възбуждане:

A A

V

Фиг. 8.1

Вижда се, че с увеличаване на товарният ток,

напрежението постепенно намалява , което се дължи от

една страна на пада на напрежение (U=I.Ea), а от друга

на намаляването на електро движещото напрежение

„Ea“. Вследствие намаляването на магнитният поток

под действието на реакцията на котвата. Машината се

развърта с номинална честота при „𝐼 𝐼 “:

𝐼 𝐼 > 𝐼 𝐼𝑘 (7.3)

𝑈 𝑈 (7.4)

Тази характеристика показва по какъв начин трябва да

се регулира възбудителният ток при изменение на

товара за да се потдържа постоянно напрежение на

изводите със увеличаване на котвеният ток „Iа“, толкова

трябва да се увеличи възбудителният ток за да се

конпенсира влиянието на пада на напрежение (U=I.Ea) и

реакцията на котвата.

Възбудителната намотка е свързана последователно на

генератора и може да работи със самовъзбуждане.

Самовъзбуждането на генераторът е възможно само в

определени условия. Затова е необходимо да се анализира

токът на възбудителната намотка. Котвата е в режим на

празен ход.

𝑢 𝑖 𝑅 𝐿 𝑑𝑖

𝑑𝑡 (8.1)

където:

~ 18 ~

– моментна стойност на индуктираното е.д.н. „Еа“ във котвената намотка;

– моментна стойност на възбудителният ток;

– общо съпротивление на възбудителната верига. То включва съпротивлението на

възбудителната верига, съпротивлението на регулиращият реостат и на котвената

верига;

– индуктивност на възбудителната верига на намотката.

Iв

Ia

Ea

u

Eocт. α

Iв

Iво

2

1

В

iв . Rв

Lвdiв

dt

Харак

терист

ика н

а пр. х

од

при Uв =

i в . R в

Фиг. 8.2

0 А

2) М.д.н. на възбудителният ток да бъде съпосочно с м.д.н на остатъчният магнетизъм, при

това ще се получи нарастване на възбудителният ток и „ “;

3) Ако крива 2, която съотведства на възбудителният ток е под характеристиката на празен

ход процесът на самовъзбуждане става невъзможен. Тъй като ( ) става с

отрицателен знак и самовъзбуждане няма да се получи.

4) За всяка стойност на възбудителният ток съотведства определена стойност на въртене,

наречена критична и се бележи със „nкритично“. Под тази стойност самовъжбуждане е

невъзможно.

Характеристика на празен ход:

Поради това, че възбудителната намотка се захранва от котвата посоката на тока в нея е в

определена зависимост от поляритета и затова се снема само във първи квадрант, т.е. само за

положителни стойности на „ “ и „ “. Поради малките стойности на възбудителният ток

можем да приемем че „Ia ≈ 0“ и характеристиката на празен ход на генератора с паралелно

нъзбуждане практически не се отличава от тази на генератор с независимо възбуждане.

Товарна характеристика:

Тя е същата като при генератор със независимо възбуждане.

Характеристика на късо съединение:

В чист вид не съществува, тъй като при късо съединение напрежението ще бъде „0“ и

машината няма да се самовъзбуди.

Външна характеристика:

Изразява зависимостта на: U = f (I) при = const. и при генераторите със шунтово възбуждане

се наблюдават същите две причини за намаляване на напрежението и увеличаване на товара

(реакция на котвата и пад на напрежение „I . “), но:

I

U

Фиг. 8.3

т. а1

2

При „Ia = 0“ следователно:

𝑢 𝐸𝑎 𝑅𝑎 𝑖 (8.2)

Ъгълът „α“ е равен на:

𝑡𝑔𝛼 𝑖 𝑅

𝑖 (8.3)

Самовъзбуждането може да започне, ако машината

има остатъчен магнетизъм „Еост.“ , което при въртене

на котвата ще индуктира в котвената намотка е.д.н..

1) Това води до увеличаване на напрежението на

котвата до определена установена стойност.

където:

- Крива 1 се отнася за паралелно възбуждане;

- Крива 2 се отнася за независимо възбуждане.

При генераторите с паралелна въжбуждане характеристиката е по

силно падаща. ΔU е по – голямо и варира в интервалите (10 20)%.

Тази разлика се дължи на появилата се трета причина за намаляване на

възбодителният ток, а именно:

~ 19 ~

(8.4)

Когато „ const“ със това ще се намали магнитният поток, а от там и електро движещото

напрежение. При претоварване напрежението рязко пада. Така достига до определена критична

стойност, след което започва да намалява заедно със намаляването на напрежението. Това се

получава от намаляване на възбуждането в резултат на което магнитопровода остава ненаситен

и машината ще работи в правата част на характеристиката на празен ход. В долната част на

характеристиката след точка А (т. а) работата е неустоичива. При късо съединение машината се

размагнитва и придизвиква прегряване.

Регулационна характеристика:

Изразява зявисимостта на: Iв = f (I). Тя се определя по същият начин както при генератор със

независимо възбуждане.

II. Постоянно токов генератор с последователно възбуждане:

VA

Г

Ia = Ic = I ↓

Фиг. 8.4 Външна характеристика:

Вътшната характеристика изразява зависимостта: U = f (I) при n = const.

I

U1

2

Фиг. 8.5 III. ПТГ със смесено възбуждане:

Г

IIc

Фиг. 8.6 Последователната намотка няма да влияе тъй като през нея преминава ток. Характеристиката

ще се определи само от паралелната намотка. Тази намотка ще определи и товарната

характеристика, която е зависимос от: u = f (iв) → I = Ic = const. Но поради влиянието на

последователната намотка тази характеристика ще лежи под характеристиката при шунтовата

намотка. Влиянието е според начина на свързване на възбудителната серийна намотка.

При еднопосочно свързване на възбудителната намотка характеристиката ще бъде над

Iв – сериино – Iс

Характеристика на празен ход:

uо = f (iс) при I = 0.

Товарова характеристика:

u = f (iс) при I 0 = const.

Характеристика на късо съединение:

I = f (iс) при u = 0.

Регулационна характеристика:

iс = f (I) при u = const.

Всички при n = const.

Този генератор няма да има тези характеристики поради това,

че „iс = I“ и немогат да се променят едновременно две равни

величини.

Токък и токът на възбуждане (Iс) „крива 2“ и ако нямаше реакцията на

котвата и пад на напрежение, външната характеристика би съвпаднала

с характеристиката на празен ход на генератор с независимо

възбуждане и поради тажи причина лежи под нея.

u = f (iв) → I = Ic = 0

n = const

~ 20 ~

шунтовите намотки, а при насрещно свързване на сериините и котвени намотки

характристиките ще лежат под тях.

Във първият случай се конпенсира размагнитващото действие на реакцията на котвата, а във

вторият се усилва. Характеристиката на късо съединение не може да се снеме като при

сериината машина. Външната характеристика U = f (I) при = const. ще има следният вид:

I

U

3

2

Фиг. 8.7

1

4

която напрежението при номинален товар и при празен ход да са практически еднакви:

Ругулировъчна характеристика:

изразява зависимостта на: iв = f (I) при n = const.

I

U

3

2

Фиг. 8.8

1

4

9в. Енергетична диаграма, основни уравнения на напрежението и

електромагнитен момент.

Основно уравнение на напрежението за ПТГ:

⏟ −

(9.1)

където:

– напрежение на изводите на генератора;

– котвен ток;

– съпротивление на котвената верига;

– индуктирано в котвената намотка електро движещо напрежение;

– пад на напрежение на четковият апарат.

Най – често „ “ се обединяват в Rа и тогава се получава:

(9.2)

(9.3)

тогава,

(9.4)

където:

– полезна мощнос;

– електро магнитна мощност;

– електрически загуби в котвата;

Крива 3 има прекомпаудиране – последователната намотка има

силно влияние защото има голям брой навивки.

Крива 4 – носрещно свързване на намотките, последователната

намотка действа размагнитващо. С увеличаване на товара

напражението пада значително.

Криви 1 и 2 – при еднопосочно свързване на котвената и сериина

намотки. При подходяш избор на броя на навивките на

последователната намотка може да се постигне характеристика при,

която

На различните външни характеристики съотведстват различни

регулировъчни характеристики в същият ред. Изискването за

„U = const“ ще определи наклона на кривите.

~ 21 ~

– електрически загуби в четковият апарат.

Фиг. 9.1

P1 P2Pδ

Pмех Pст. Pдел Pел.а Pел.ч

(9.5)

1

(9.6)

(9.7)

(9.8)

където:

– моментно приложение на вала намашината;

– съпротивителен електро магнитен момент, развиван от генератора;

– ъглова скорос (2 . π . r);

– допълнителни загуби в стоманата, припокриващи се за сметка на допълнителната

мощност.

(9.9)

където:

– инерционен момент на въртящите се части.;

Динамичният момент „ “ възниква при промяна на честотата на въртене. Той съотведства

на изменението на кинетичната енергия на въртящите се части в него „ “.

При увеличаване честотата на въртене кинетичната енергия се увеличава за сметка на

първичният двигател. Когато > 0, той действа спирачно, когата е по – малък от 0 действа

по – посока на въртене е се добавя към въртящият момент и следователно М1 е сума от трите

момента.

10в. Постоянно Токов Двигател (ПТД). Видове. ПТД със шунтово възбуждане,

характеристики, енергетична диаграма. Пускане в ход.

Според начина на възбуждане те се разделят аналогично на генератор за постоянен ток.

Схемите на включване се отличават от схемите на включвания на генератори само от

необходимостта от пусков реостат в котвената верига, с които се ограничава пусковият ток на

двигателя.

A A

V

Фиг. 10.1

Г

Rв

min

Rn

max

Ia

Възбудителната намотка е свързана последователно на

генератора и може да работи със самовъзбуждане.

Самовъзбуждането на генераторът е възможно само в

определени условия. Затова е необходимо да се анализира

токът на възбудителната намотка. Котвата е в режим на

празен ход.

𝑢 𝑖𝑎 𝑅𝑎 𝐸𝑎 (10.1)

Уравнение 10.1 е основното уравнение на напрежение за

ПТД.

~ 22 ~

−

(10.2)

където:

– общо съпротивление на котвената верига. То е малко съпротивление (1,2Ω).

Стойността на „ “ при включване на машината трябва да е максимална.

(10.3)

от тук следва, че:

(10.4)

където:

– мощност, която машната получава от мрежата;

– електрически загуби в котвената верига;

– електро магнитна мощност, която е равна на механичната мощност развита от

двигателя.

Като се вземе предвид, че загубите в стоманата и допълнителните загуби, се препокриват за

сметка от механичните загуби „Рмех.“, то енергииният баланс сте има следният вид:

х х (10.5)

Фиг. 10.2

P1P2Pδ = Pмех

PмехPст. PдопPел.аPδ

(10.6)

където:

М – електромагнитен момент.

Моментът „М“ урамновесява съпротивлителният момент „Мс“:

(10.6)

х + +

(10.6)

където:

Мо – съпротивителен момент съотведстващ на загубите за сметка на механическата

мощност;

М2 – статичен съпротивителен момент на валана двигателя, който е равен на:

(10.7)

Ω –ъглова скорост.

(10.8)

където:

Мдин – динамичен момент възникващ при изменение на честотата на въртене.

За да се осъществи връзка между честотата на въртене на ротора „n“ и електро магнитният

момент „М“, заместваме:

(10.9)

=> (10.10)

−

(10.11)

~ 23 ~

⏟

С (10.12)

(10.13)

Замества се „ “ в израза за „ “ и получаваме нов израз:

(10.14)

Това уравнение дава възможност да се построят две характеристики: скоростна

„n = f (ia)“ и механическа „n = f (M)“ при n = const.

От това уравнение се вижда, че магнитният поток е на втора степен и оказва

съществено влияние, т.е. начина на възбуждане ще влияе съществено на неговите

характеристики. Тези характеристики са без ослабване на външното поле, се наричат

естествени. А тези с наличие на външно поле (имат включено външно съпротивление) с

което се отслабва магнитният поток се наричат изкуствени. Освен механичната

характеристика на ПТД трябва да имаме впредвид и характеристиката на

съпротивлителният момент за задвижваният механизъм.

За да има устойчива работа е необходимо развиваният от него момент „М“ да се

уравновесява от съпротивителният момент „Мс“:

(10.15)

Устойчивостта също зависи от механичната характеристика „M = f (n)“ както и от

съпротивителният момент „Mс = f (n)“. Ако тези две характеристики, се пресичат по

следният начин:

n

Фиг. 10.3

M

A

nn,n,,

Mс

M

Ако характеристиките се пресичат по друг начин , тогава гритерият се обръща:

n

Фиг. 10.4

M

A

nn,n,,

Mс

M

За осъществяване на тези изисквания на практика се подхожда по два начина:

1) Пряко (директно) включване към пълното напрежение на мрежата;

2) Пускане чрез включване на понижено напрежение, чрез пусков реостат включен

последователно в котвената верига или чрез източник с регулируемо напрежение.

При прякото пускане токът:

( ) (10.18)

Този ток създава опасност за скъсване на вала и силно искрене, затова така може да се пускат

двигатели до няколко вата за които „ “ е голямо. За двигатели със последователно възбуждане

той от 4 до 5 пъти и могат да се включват пряко ( ( ) ).

Вторият начин е реостатно включване и е намерило най – високо разпространение, при n = 0:

От това следва, че при всяко случайно увеличение на честотата

вследствие на случайно въздеиствие до „n,,“ съпротивителният

момент на самият двигател става по – голям от самият момент на

двигателя, което ще затрудни неговата лабота. По същият начин ще

реагира двигателят когата двигателя намали до „n,“.

Устойчива работа може да има, когато: 𝑑

𝑑𝑛<

𝑑𝑀𝑐

𝑑𝑛 (10.16)

𝑑

𝑑𝑛>

𝑑𝑀𝑐

𝑑𝑛 (10.17)

Пускане в ход:

При пускането трябва да бъдат изпълнени следните две условия:

1) Да се осигори достатъчен по големина пусков момент;

2) Да се ограниче пусковият ток, който е опасен за котвената

намотка и за четковият апарат.

~ 24 ~

+ (10.19)

( )

Фиг. 10.5

K1 K2 K3

rп1 rп2 rп3

n

Фиг. 10.6

MMmin Mmax

Недостатък га реакторното пускане е отделянето на значителни загуби на съпротивлението.

При пускане на постоянно токов двигател пусковият реостат е винаги напълно включен, а

реостатън на възбудителната намотка трябва да бъде напълно изключен.

Постоянно токов двигател със шунтово възбуждане, работни характеристики:

IаФиг. 10.7

nM η

Mo

η

Δn

Mc

M2

n

Iн

nо

Моментната характеристика изразява зависимостта на: М = f (Ia).

С (10.21)

n = f (М) при Iв = const и n = const.

Фиг. 10.8

MMc

nno

n1

n2

n3

Ra

Ra + rп1

Ra + rп2

Фиг. 10.9

M

nno

n1

n2Uн

U1

U2

Скоростна характеристика:

Изразява зависимостта на: n = f (Ia) при U = const и Iв = const

𝑛 𝑢

𝐶𝑒 𝑛𝑜

𝐼𝑎 𝑅𝑎

𝐶𝑒 (10.20)

където:

𝑛𝑜 – скорост на характеристиката

Моментна характеристика:

𝑛 𝑛𝑜 𝑀 𝑅𝑎

𝐶𝑒 𝐶 (10.22)

Включването на допълнителни съпротивления в котвената

верига се използва за регулиране на честотата на въртене. По

този начин, се измена захранващото напрежение.

~ 25 ~

11в. Постоянно Токов Двигател (ПТД) с последователно и смесено възбуждане.

Характеристики. Пускане в ход.

Зависимосттите:

( ) >

се наричат работни характеристики.

Зависимостта „ ( ) представлява скоростна характеристика.

ПТД със последователно възбуждане:

A

СНIa = Ic ↓

Фиг. 11.1

(11.1)

Фиг. 11.2

MImin Iн

n

M

n

η

Фиг. 11.3

MImin Iн

n

Ra

Ra + rп1

Ra + rп2

−

⏟

(11.2)

Вижда се че скоростната характеристика има хиперболичен характер в скоростната система.

Не трябва да остават натоварени. При това положение машината може да се разруши и затова

тя не трябва да остава да работи без товар. Imin = 0,25 . Iн.

Моментна характеристика:

Изразява зависимостта на: М = f (Ia) при „u = const“

(11.3)

от където следва, че има параболичен характер.

Механична характеристика:

Изразява зависимостта на: n = f (M) при „u = const“

(11.4)

√ (11.5)

Ако се пренебрегне насищането:

ф − ( + )

ф (11.6)

ф

ф (11.7)

СН – серийна намотка, нарича се още възбудителната намотка.

Последователното свързване на възбудителната намотка с

котвената води до изменение на магнитният поток при промяна на

котвеният ток. Това е най – характерната особенност на този

двигател. При наситена магнитна система потока „Ф≡ 𝐼𝑎“. При

големи натоварвания тази проницаемост се повишава вследствие на

насищането.

~ 26 ~

√

√ ф +

ф

(11.8)

Трябва да се запомни, че при двигателите със серийно възбуждане не се използва ремъчна

предавка, защото може машината да се разруши.

ПТД със смесено възбуждане:

A

СН

↓

Фиг. 11.4

ШН

съп

осо

чно

↓

Уравнение 11.9 представлява уравнение на двигателят със смесено възбуждане, като „+“ е

съгласувано, а „ – „ несъгласувано.

Работите и механичните характеристики се разполагат между тези на паралелно и

последователно везбуждане. Те още наподобяват характеристиките на един или друг тип

двигатели в зависимост от това коя намотка ще създава по – голямо магнито движещо

напрежение. Възбудителните намотки могат да се включат съгласувано и насрещно.

12в. Устройство и начин на действие на Синхронните машини (СМ).

При синхронните машини честотата на въртене на ротора „ “ е равна на честотата на въртене

на магнитното поле, създадено от статорната намотка:

1

(12.1)

където:

- – честота на въртене на ротора;

- − честота на въртене на магнитното поле в статорната намотка;

- – честота на захранващото напрежение;

- – брой на чифтовите полюси.

Това равенство е в сила до достигане на „Рном.“.

1

23

4 5

6

A

YZ

c

x

b

q

d

+

-uв

Фиг. 12.1

Характеристиката се нарича скоростна и се определя със

уравнението:

𝑛 𝑢 − 𝐼𝑎 𝑅𝑎

𝐶𝑒 ( ∓ ) (11.9)

където:

крива 1 – съпосочно;

криви 2 и 3 – насрещно. Като 2 се използва за

брукатни станове.

където:

q и d - оси

1. Статор;

2. Главни полюси;

3. Възбудителна намотка;

4. Контактни пръстени;

5. Вал;

6. Късо съединена успокоителна

номотка.

~ 27 ~

Статорът е същият като при асинхронните машини. В статорните канали, се разполага

М – фазна (най – често трифазна) намотка. На главните полюси се поставя възбудителна

намотка. Роторите биват два вида: явно полюсни и неявно полюсни. Успокоителната намотка

служи за успокояване на ротора, когато под действие на смущаващи фактори, се реши

честотата му на въртене. Във режим на двигател успокоителната намотка служи за пускането

му във движение. Синхронните машини са намерили по – голямо приложение като генератори.

Ценно качество на СМ е това, че честотите на въртене на ротора, не се изменят при натоварване

до номинална мощност.

Принципа на работа „ро“. Роторът на генераторът се задвижва от първичен двигател с честота

на въртене „n = n1“. Със същата се върти и основният магнитен поток създаван от работната

намотка. При въртенето си потока пресича проводниците на статорната намотка и индуктира в

тях е.д.н. При режим на празен ход в статорната намотка не протича ток, а действа само

магнито възбудителното напрежение „Ео“. Индуктираните е.д.н. в трите фази са:

С √ ф (12.2)

При натоварване във всяка фаза ще протече ток:

С (12.3)

Този ток ще създаде м.в.н. в котвата „Еа“. Магнитните полета на статора и котвата ще си

взаимодействат и ще се получи резултатно магнитно поле. Резултатният магнитен поток при

своето въртени ще индуктира в трите фази на статора намагнитващо е.д.н. „Е“. При неявно

полюсните машини скоростта на въртене е 3000 min-1

. При явно полюсните те са бавно ходови

50 100 min-1

. Използват се във ВЕЦ и се наричат хидрогенератори.

13в. Взаимодействие между магнитните полета на индуктора и котвата изразени

чрез пространствени вектори.

Взаимодействието на полето на котвата над основното магнитно поле създадено от

възбудителната тамотка на ротора, се нарича реакция на котвата. Тя се бележи със „Fa“ при

синхронните машини и зависи от големината на статорният ток. Също зависи и от характера на

натоварването, съпротивлението „Zт“, ъгълът между тока и електро движещото напрежение се

бележи със „ψ“ и се нарича фазова разлика. За да се получи и изучи реакцията на котвата

трябва най – напред да се разгледат различните гранчни режими на работа: индуктивен,

активен, капацитивен и смесен. При явнополюсните машини (фиг. 13.1) с „d“ е отбелязана оста

на надлъжната реакция, а с „q“ – напречната реакция. Магнитната проводимост по надлъжната

ос е много по – голяма от проводимостта по напречната ос. Поради различните въздушни

междини в двете оси. При активен товар тока и е.д.н. съвпадат по фаза и „ψ = 0“. Векторите на

магнито възбудителното напрежение „Fо“ са винаги нагоре по оста „d“, т.е. съвпадат по оста на

полюса. „Fa“ е вектор на реакцията при активен товар, той е насочен по оста „q“. Затова при

реактивен товар тока и е.д.н. съвпадат по фаза (I и Eo => ψ = 0).

d

q

IFa Eo

Fo Fp

Фиг. 13.1

Векторите „Fa“ и „I“ са в една и съща посока. Вектърът „Fо“ е винаги

насочен по оста „d“ т.е. съвпада с полюса на оста. Вектор „Fa“ които

е вектор на реакцията при активен товар е по оста „q“ затова при

активен товар реакцията се нарича напречна, а при индуктивен товар

надлъжна.

При индуктивен товар при ψ = 90о (Фиг. 13.2).

Реакцията е насочена противно на „Fо“, извежда се от нея и затова се

нарича надлъжно размагнитваща.

~ 28 ~

d

qΨ=90o

FaEo

Fo

Fp

Фиг. 13.2 d

q

I

Fa

Eo

Fo

Fp

Фиг. 13.3 Резултатното магнито възбудително напрежение „Fa1“ е векторна сума от трите фазни вектора.

(13.1)

Този вектор „ “ се върти със честота на въртене „n“:

(13.2)

където:

f - честота;

p - брой чифтови полюси.

При възбуден и настроен синхронен генератор протичат токове във възбудителната и котвена

намотки създаващи магнито възбудително напрежение „Fa1“ (в статора) и „Ff1“ (в ротора).

Резелтатното м.в.н. е „Fδ“:

(13.3)

В зависимост от характера на товара разположението на този вектор е различно.

14в. Магнитно поле и параметри на неявнополюсна и на явно полюсна машина.

Магнитнота поле на индукторасе създава от постоянен ток, които преминава през

възбудителната намотка и има две съставящи:

1. Поле на взаимна индукция: това поле състещвува във въздушната междина и влиза във

взаимодействие с полето на котвата;

2. Поле със разсейване около възбудителната намотка.

При явнополюсните машини реакцията на котвата може да се разложи на две оси:

> (14.1)

> (14.2)

Фиг. 14.1: а)ψ = 0о; б)ψ = 90о; в)ψ = -90о.

n

N N

NS

S

S

E

E

E

I

a)

б)

в)

I I

I

Капацитивен товар при ψ = - 90о (Фиг. 13.3).

Реакцията на котвата е надлъжно намагнитваща и е

насочена против „Fо“. Процесът на взаимодействие,

които е реакция на котвата е един от най – сложните

за анализ въпроси при синхронните машини.

Първата трудност идва от събирането на полетата за

постоянен и променлив ток. Преодоляването на тази

трудност е свързана с това, че основните хармоници

на котвата, се въртят със еднаква ъглова скорост.

Затова те сключват постоянен ъгъл помежду си.

~ 29 ~

Магнитното поле на индуктора, се създава от постоянен ток които преминава през

възбудителната намотка. Пространствената крива на магнито възбедителното напрежение

„м.в.н.“ Ffx за един полюс ще има следният вид:

Фиг. 14.2

π 2

π 2

М.в.н. на възбудителната намотка за един полюс е равна на:

(14.3)

Вижда се, че електро магнитното действие върху статора на въртящият се индуктор през който

преминава постоянен ток е равностойно на електро магнитното действие на неподвижен

индуктор през който протича променлив ток:

(14.3)

Разпределението на магнитното поле и работният процес при явнополюсната машина, се

различьва състествено от тези при неявнополюсната машина. Това се дължи на неравномерната

въздушна междина. Индукцията има най – голяма стойност във средата на полюса, където

въздушната междина е минимална.

Амплитудата на основният хармоник на възбуждането, се определя от следният израз:

(14.4)

където:

е коефициент на формата на полето на възбуждане и има следната форма:

Фиг. 14.3

Ba

Bad

Baq

15в. Уравнение на напрежението на синхронен генератор. Векторни диаграми.

характеристики.

В най общ вид напрежението на една фаза на статорната намотка в синхронната машина може

да се представи във следният вид:

(15.1)

~ 30 ~

където:

– резултатен пълен поток за фаза;

– активен пад на напрежение в статорната намотка.

Резултатният поток за фаза, се определя със следният израз:

(15.2)

където:

– пълен поток от статорната намотка;

– пълен поток от възбудителната намотка.

Статорната намотка има следният вид:

(15.3)

където:

– коефициент на намотката, тои се движи: ( ).

Със въжбудителната намотка се сцепва целият поток във въздушвата междина „Фδ“:

(15.4)

(15.5)

където:

– полюсно деление.

Осите D и Q, се наричат оси на магнитна симетрия. Съставките на магнито движещото

напрежение (м.д.н.) на котвата Fad и Faq, при промяня на товара не променят своето положение

спрямо осите d и q. Чрез тях се привеждат м.д.н. на котвата към възбудителната намотка както

при неявнополюсната намотка при синусоидално разпределение на Fad и Faq. По окръжността

на статора възбудените от тях магнитни полета ще имат несинисоидално разпределение на

магнитната индукция. Методът на Блунделт се основава на принципа на наслагване на

изходната вълна на статорното м.д.н., което се замена със две синисоидални вълни на м.д.н.

възбуждано от отделни полета. Те индуктират две електро движещи напрежения (е.д.н.) в

статора. Това е приемливо за явнополюсните машини, тъй като магнитините вериги по две оси

са независими. Със помоща на тези две полета може да се определи магнитното поле на

явнополюсна синхронна машина при всякакви натоварвания.

Резултатното поле ще има следната възбудителна намотка:

(15.6)

Двата потока и , се развиват в една магнитна верига. Затова те си взаимодействат и

образуват резултатен магнитен поток и резултатна взаимна индуктивност. На този поток

съотведства пълният поток „ψδА“:

(15.7)

( ) , (15.8)

където е част е от разсейването

( )

⏟

( )

⏟

, (15.9)

, (15.10)

Уравнение (15.10) се отнася, както за явнополюсна машина така и за неявнополюсна

машина.

~ 31 ~

Фиг. 15.1

Iq

Iq

I

U

raiE

ψ

α

E

j Xaq Iq

j Xad Ia

j X a I

Характеристики на синхронен генератор:

Характеристика на празен ход:

при U = f(iB) => I = 0, f = fH

IВ

U 1

2

Фиг. 15.2 1 – турбо генератор;

2 – хидро генератор.

Характеристика ня късо съединение:

при I = f(iB) => U = 0, f = fH

IВФиг. 15.3

I

16в. Паралелна работа на Синхронни машини.

Надежната работа на Електро Енергиината Система (ЕЕС), се постига посредством паралелна

работа на много синхронни генератори. Условията за паралелна работа са следните:

1) Електро движещото напрежение на празен ход на включеният генератор към мрежата

да е равно на напрежението на мрежата;

2) Полярността на включеният генератор да съотведства на полярността на мрежата;

~ 32 ~

3) Честотата на електро движещото напрежение на генератора и на напрежението на

мрежата практически да са равни;

4) Към едноименните шини да се включат едноименни фази.

Неспазването на едно от горните условия води до поява на токов удар!!!!!!!!!

Фиг. 16.1

V

ABC

ВЛ

1 2 3

1, 2, 3,

Най – простият трифазен синхроскоп се реолизира със три лампи, които могат да се включат по

схема „на тъмно“, която е представена на фигура 16.1, а другата е схема въртяща се светлина

представена на фигура 16.2.. При на тъмно лампите, се свързват към изводите на едноименните

фази. При изпълнение условия за паралелна работа трите лампи угасват. Тъй като електро

движещото напрежение на отделните фази на генератора и напрежението на съответните фази

на мрежато са равни и насочени в противоположни посоки. Недостатък е, че лампите изгасват

преди напрежението да е достигнало 0 (U 30 % . Uн). Точното положение, се определя

посредством Волтметър с показател на скалата „0“ в средата.

Схема „Въртяща се светлина“:

Фиг. 16.2

V

ABC

ВЛ

1 2 3

1, 2, 3,

17в. Ъглови характеристики на синхронните машини. Статично претоварване,

синхронизирана мощност и момент .

Мощността която отдава синхронният генератор е:

(17.1)

Величините в този израз характеризират режимат на паралелна работа с други генератори.

Реокцията на котвата „Fо“ винаги е насочена по оста „d“. При паралелна работа с мощност на

мрежата, напрежението на генератора остава постоянна величина. Следователно вектора на

резултатното магнито движещо напрежение „Fрез“ ще остава постоянен по посока. Големината

му се изменя в зависимост от реакцията на котвата. Тъй като векторите на напрежението на

изводите на генератора и вектора на лектро движещото напрежение „Ео“ изостават по фаза на

Най – благоприятен момент за включване на схема

въртяща се светлина е когато лампа 1 е на тъмно, а

другите две лампи светят силно. Те светят силно

защото към тях е приложено линейно напрежение.

~ 33 ~

90о съответно от „Fрез“ и „Fо“, ъгъла между тях се бележи с „ “. Този ъгъл дава възможност за

оценка на дефазирането между напрежение и е.д.н., т.е. то е ъгъл между оста на полюса и

вектора „Fрез“. Зависимостта „P = f (u, Eo, )“ определя режима на работа на синронният

генератор от параметрите му и от външни въздействия. „P = f ( )“ се нарича ъглова

характеристика.

В аналитичният израз, се получава като се използва векторна диаграма. При построяването и се

пренебрегва активното съпротивление на статорната намотка. При мощните машини активното

съпротивление е много по – малко от индуктивното.

Iq

Id d

q

EU

j Iq Xq

j Id Xd

I

ψ

θ

φ1

Фиг. 17.1

(17.5)

(17.6)

−

(17.7)

(17.8)

Заместваме ги в израза за „р“ и се получава:

(

)

⏟

(17.9)

Този изръз е търсеният математически израз за ъглова характеристика, съгласно който се

получава:

P = f (E, U, θ, Xq, Xd)

> ( U )

→ (17.10)

Първият член за израза Р и М с индекс „Е“ представлява основната мощност и момент, които се

получава от взаимодействието на въртящото се магнитно поле със тока в ротора. Вторият член

възниква от потока на реакцията на котвата, стремящ се да се затвори по пътя на най – малкото

магнитно съпротивление. Затова тези съставки за мощността и за момента се наричат

реактивни и независят от възбуждането. При неявнополюсните машини:

Xd = Xq => Pu = 0

P = Pe

Ъгловата характеристика е представена на (фиг. 17.2):

Със отчитане на направеното допускане електро

магнитната мощност „Рδ Р“. От векторната

диаграма се отчита че:

𝜑 𝜓 𝜃 (17.2)

след като ги заместим се получава:

𝑚 𝑈 𝐼 𝑐𝑜𝑠(𝜓 𝜃) (17.3)

𝑚 𝑈 𝐼 𝑐𝑜𝑠𝜓 𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑚 𝑈 𝐼 𝑠𝑖𝑛𝜓 𝑠𝑖𝑛𝜃 (17.4)

За определяне на „Id“ и „Iq“, се използва вторият

закон на Кирхоф, като се сумират напреженията по

две оси:

За явнополюсните машини максималният момент е изместен,

докато при неявно полюсните машини максималният на

графиката е: 𝜃 𝑜. Ъгловата характеристика дава възможност

да се оценява статичната устойчивост на синхронните машини.

~ 34 ~

θ

P

Pmax

Фиг. 17.3 Когато синхронният генератор работи в установен режим при някакъв ъгъл „ “ породен от

смущаващи сили синхронният генератор може да бъде изведен от устойчивото му състояние.

Във този случай се изменя със .

(17.11)

Този момент „ “, се стреми да възтанови изходният ъгъл „ “. Този момент се нарича

синхронизиращ. Мощността се изменя синусоидален закон.

Магнитното поле на индуктора, се създава от постоянен ток които преминава през

възбудителната намотка. Пространствената крива на магнито възбедителното напрежение

„м.в.н.“ Ffx за един полюс ще има следният вид:

θ

P

Фиг. 17.4

18 в. Превъзбуждане и недовъзбуждане на синхронни машини. V - криви.

Режима на работа на синхронната машина паралелно на мрежата при синхронна скорост на

въртене, се нарича синхронен. Токът „I“:

−

(18.1)

Ако след синхронизация, се увеличи възбудителният ток (Iв↑), то тогава следва че електро

движещото напрежение „Е“ е по – голямо от напрежението (Е > U). При големи възбудителни

токове магнитната система на синхронната машина е превъзбудена, и тя ще отдава във мрежата

реактивна мощност, която ще се консумира от асинхронният двигател и трансформатор. Във

този случай ще оказва капацитивно въздействие на мрежата при малки възбудителни токове

магнитната система ще бъде недовъзбудена и ще оказва неиндуктивно въздействие на мрежата.

Тоещ ще черпи реактивна енергия за да намагнити магнитната система. Тово свойство се

използва за регулиране на „cosϕ“ и на напрежението на захранващата мрежа:

От тук следва да се направят опростени векторни диаграми на напрежението за неявнополюсна

синхронна машина при превъзбуждане и недововъзбуждане. Ще вземем под внимание в какви

граници, се изменя ъгъл „ψ“ със него се изменя и напрежението:

𝑑𝑀

𝑑𝜃 𝑀 ф х

𝑀𝑚

𝑀

𝐾𝑚

Максималната му стойност ще бъде при „ 𝜃 “.

Отношението на:

𝐾𝑚 – коефициент по претоварваща способност на

синхронният генератор. 𝐾𝑚 ( 3).

𝑃 >

𝑃 <

~ 35 ~

Фиг.18.1

U

E

θ

Iq

Fp

Uмр

Фиг.18.2

U

E

θ

Iq

Fp

Uмр

I

Id

Fa

Id

Fa

ψ

Недовъзбудена машина Превъзбудена машина

Ъгъл „ψ“, когато се изменя между: „

“ машната работи като Двигател, а за

интервала от: „

“ ,като Генератор. При разглеждане на генераторният режим на работа

за постоянен и променлив ток. Когато електри движещото напрежение „Е“ е по – голямо от

мрежовото напрежение „Uмр“, има генераторен режим при: „E < Uмр – Д“. Когато токът е

паралелен та електро движещото напрежение има режим на компенсатор токава ъгъл „ψ“ е

равен на: „

“

Разглежданията се правят при: U = const.

(18.2)

При изменение на възбудителният ток ще се изменя големината на тока, и от там силата „Fa“:

(18.2)

При увеличаване на възбудителният ток ( ) следователно токът се увеличава ( ), а от това

следва че ъгъл „ “ намаля ( ). Когато възбудителният ток се измена следователно мощността

„Р“ е кокстантна (Р = const). Мощността може да приеме други стойности само, ако се промени

подаваната механично мощност от първият двигател към синхронният генератор.

Всяка превъзбудена синхронна машина произвежда и отдава на мрежата реактивна енергия.

Всяка недовъжбудена консумира реактивна енргия от мрежата. Реактивната мощност и в двата

случая е толкова по – голяма, колкото по – голям е ъгъл „ϕ“ които се регулира чрез изменение

на възбудителният ток. Превъзбуденият синхронен двигател подобрява „cosϕ“ на мрежата, като

задоволяват нуждите и със индуктивна енергия, за това се използват синхронните

конпенсатори, които произвеждат само индуктивна енергия. Синхронната машина работи като

генератор когато токът „Iq“ съвпада по посока със електро движещото напрежение „Е“, като

двигател работи когато токът „Iq“ има противоположна посока на е.д.н. „Е“, и когато

конпенсаторът е паралелен на е.д.н.. Изменението на котвеният ток на синхронният генератор

паралелно включен към мрежата в зависимос от възбудителният ток ( ).

cosϕ

= 1

P2II > P2

I

P2I > P2

P2 = 0

Iво

а

Фиг.18.3

Непосредствено след синхронизиране и паралелно

включване на мрежата машината работи в точка „а“ при

„Р2 = 0“ „cosϕ = 1“. Когато възбудителният ток намаля

(𝐼 ), а котвеният ток се увеличава (𝐼 ), той е равен и

синхронната машина получава индуктивна енергия от

мрежата. За довъжбуждането си. Когато възбудителният и

котвеният ток се увеличават (𝐼 𝐼 ), енергията е

реактивна, но със обратна посока, в този случай

синхронната машина отдава индуктивна енергия, за цялата

крива на „Р2 = 0“.

~ 36 ~

Ако се умиличи моментът „М“, той се натомарва със активна енергия „Р2I“. При изменение на

възбудителният ток, се получават нови V – образни криви за тази активна мощност. В най –

ниските точки на тези криви, котвеният ок е само активен и работи при „cosϕ = 1“.

19в. Синхронен двигател (СД). Мощност и момент. Работни характеристики.

При работата на синхронната машина като синхронен двигател водещо звено е магнитният

поток възбуден от статорната намотка, а индуктора изостава спрямо него.

Pел.а

Pст.а

Pмех

Pдоп

Pв

P2

P1

Pδ

Фиг. 19.1

=

(19.2)

Диаграма на недовъзбуден СД: Диаграма на превъзбуден СД:

φ

Id

Iq

Uмр

Iraj Xq I

Eo

I

Фиг. 19.2

„V“ кривите при двигател имат същите характеристики както при генератор с тази разлика, че

при превъзбуждане двигателят получава изпреварващ ток, а при невъзбуждане изощаващ. Това

се обяснава с факта, че при генератора се отчита дефазирането на тока от напрежението на

генератора, а при двигател он мрежовото напрежение.

(19.3)

Работните характеристики на синхронният двигател са следните:

където:

- Рел.а – електрически загуби в котвата;

- Рст.а – магнитни загуби в стоманата;

- Рмех – механични загуби;

- Рдоп – допълнителни загуби от висши хармоници;

- Рв – загуби от възбудителната верига.

За получаване получаване на аналитични изрази за „Р1“ и „Рδ“ е необходимо

във формулата за синхронният генератор ъгъл „θ“ да, се замести със „- θ“

при двигатели, което означава, че електро магнитната мощност и момент

добиват отрицателна мощност. Изменението за знака на „Рδ“ е свързано с

промана посоката на енергията:

𝛿 = 𝑃 𝑚 𝐸𝑜 𝑈

𝑋𝑑𝑠𝑖𝑛𝜃 (19.1)

~ 37 ~

P2Фиг. 19.4

Mo

η M=

n

Pн

cosφ

P2

ω

За да се компенсира това разсейване възбуждането трябва малка да се увеличи.

20в. Начини на пускане на синхронен двигател. Синхронен конпенсатор.

1. Пускане със помощен двигател:

Машината трябва да бъде коплирана със специален пусков двигател, който да я

развърти до номиналнат и синхронна мощност след което се включва в паралел.

Скоростта на завъртане може малко да надвишава синхронната. След изключване на

помощният синхронният двигател ще премине през синхронизация и в този момент той,

се включва в мрежата.

Недостатък е че не може да се пусне натоварен, тъй като е нерационално пусковият

двигател да има голама мощност. Използва се главно при синхронните конпенсатори.

2. Честотно пускане:

Изменя се честотата на напрежението плавно от нула до номиналната си стойност.

Двигателят се върти синхронно през целия пусков процес. Захранва се от отделен

синхронен генератор, скоростта на който се изменя от нула до номинална стойност. С

увеличаване на скоростта трябва да се изменя възбудителният ток. В посока на

увеличаване този метод се използва само за специални методи.

3. Асинхронно пускане:

Основен начин на пускане на електрическите двигатели. Използва се успокоителна

намотка, статорната намотка се пуска към мрежата за постоянен ток. При което се

създава въртящ момент. При това положение се включва възбудителната намотка към

постоянен ток роторът ще се поляризира. Това ще предизвика силни люлеения, които

биха довели до увеличаване на скоростта за кратко време и до скорост по – висока от

синхронната. За няколко люлеения от синхронната скорост ще влезне в синхронизъм.

При голямо натоварване двигателите имат голямо хлъзгане и трудно влизат в

синхронизъм. За да се получат високи стойности трябва да се повиши стойността на

активното съпротивление на пусковата намотка и да има необходимият топлинен

капацитет. За тази цел, се прави от месинг или алуминиев бронз. За намаляване

големината на пусковият ток се намаля напрежението, което се подава на клемите на

двигателя.

4. Синхронен конпенсатор:

Той се поставя на мрежата, която не е свързана механически с работната машина и не

създава полезна механическа мощност се нарича синхронен конпенсатор. Той е

предназначен за произвеждане на реактивна мощност, необходима за Електро

Енергиината Система (ЕЕС), подобрява фактора на мощност „ “ на ЕЕС.

При празен ход се образува „Мо“, необходим за преодоляване

загубите на двигателя при празен ход. „cos𝜑“ зависи от

възбуждането (той леко пада). С увеличаване на

натоварването Р2 нараства. Увеличава се реакцията на котвата,

а от там се увеличава потока на разсейване. Получената

индуктивна съставяща ще влоши „cos𝜑“. При по – големи

мощности реакцията на котвата се увеличава и нараства

потока на разсейване.

~ 38 ~

Векторна диаграма:

Uмр

π2

π2

I1 I2превъзбуден недовъзбуден

Фиг.20.1 При голям индуктивен товар пада на напрежение в линията е най – голям, тогава

синхронният компенсатор работи превъзбуден. Пускането във вход на синхронният

компенсатор става по същият начин както при синхронният двигател но е по – леко тъй

като няма товар на вала.

21в. Колебание и динамична устойчивост на Синхронните машини .

При всяка промяна на електрическият товар или на механичният момент се изменя ъгъл „θ“

(между векторите на напрежението и магнито възбудителното напрежение „Ео“). Ако даден

синхронен генератор работи на собствена мрежа при изменение на двигателният момент по

посока на забавяне, ще се променя честотата на напрежението и ъгъл „θ“:

t

t

Ω

θ

Mg1 Mg2

∡Θ → (U,Eo )

Фиг. 21.1 Успокоителният момент, се създава от магнитно поле във въздушната междина на индуктора и

на токовите във успокоителната намотка. Друг успокоителен момент се създава от триенето на

въртящите се части.

Освен свободните колебания, възникват и принудителни колебания. Те се пораждат от външен

момент приложен на вал. Електро магнитният момент „Мδ“ ще бъде:

(21.1)

където:

– синхронизиращ момент;

− ъгъл на отклонение.

θ

M

β

Фиг. 21.2

β

Обикновенно синхронните конпенсатори работят

превъзбудени – доставят индуктивна мощност в

мрежата. Изпълняват ролята на кондензаторни

батерий. Големината и знака на реактивната

мощност, се изменя чрез възбудителният ток.

Когато компенсаторът е включен в дълга три

проводна линия той служи за регулатор на

напрежение.

Преминаването на ъгъл „θ“ от една стойност в друга е

съпроводено с механиески колебания на ротора. Ако

въртящият момент, се променя от „Mg1“ до „Mg2“ ъгловата

скорост също се променя. На нарастването на ъгловата

скорост ще се съпостави и синхронизиращият елемент. Това

става чрез затихващи колебания. Тези колебания, се наричат

„люлеения на ротора“. Те се пораждат при всякакви внезапни

натоварвания на машината. При люлеене на ротора действат и

осигуряващи сили, които действат на затихването му. Тези

трептения могат да се сръвнят със прожина укачена на товар.

𝑔 𝛿 𝑖𝑦 𝑑𝛽

𝑑𝑡 (21.2)

𝛿 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑝

𝑔 𝑀𝛿 𝑦 (21.3)

𝑦 – коефициент на успокояванем

𝐽𝑑𝛺

𝑑𝑡 (21.4)

~ 39 ~

22в. Синхронни микромашини с постоянни магнитил реактивни синхронни

двигатели.

Синхронните микромашини се разделят на следнтите видове:

- Синхронни микромашини с постоянни магнити;

- Реактивни двигатели;

- Хистерезисни двигатели.

1. Синхронните двигатели със постоянни магнити:

Имат постоянна конструкция. Могат да бъдат: еднофазни, двуфазни и трифазни. Тъй като

тези двигатели нямат постоянен пусков момент на ротора се поставя кафезна намотка. В

зависимост от разположението на постоянните магнити се различават два вида двигателя:

- синхронни със постоянни магнити;

- синхронни със аксиални магнити.

Наличието на постоянен магнит е причината за появата на спирачният момент, които се

образува от действието на полето на постоянните магнити с токовете в статорната намотка.

Тези двигатели имат добри енергетични показатели (к.п.д. и cosϕ).

Недостатък: голяма кратност на пусковият ток и висока кратност на постоянните магнити.

2. Реактивни синхронни машини:

От предният се избягва поставяне на постоянен магнит. В тях действа магнитното поле на

статора и затова статорната намотка се нарича възбудителна. Те имат проста консрукция

изисква се само един променливо токов източник и за това са намерили голямо

приложение.

3. Хистерезисен двигател:

Статорът е същият както при синхронните машини с постоянни магнити. Роторът е без

намотка от плътен или шихтован магнито твърд материал притежаващ голям хистерезисен

цикъл.

Фиг. 22.2

3

1

2

Този ротор се върти със синхронна скорост и представлява постоянен магнит.

Възникването на хистерезисният момент се свързва със явлението „хистерезис“

(пренамагнитване). При асинхронното въртене в роторът се отделят загуби

пропорционални на честотата на пренамагнитването, пропорционални на квадрата на

пренамагнитването.

Предимства: лесна конструкция, малък пусков ток (1,5), безшумна работа, висок к.п.д.

Недостатъци: до 200, висока цена, склонност към самовъзбуждане.

където:

1) Вал;

2) Втулка от магнито мек

материал;

3) Феромагнитен накрайник

(набит).

Недостатък: голямо тегло и лош „cosϕ“.

Статорните намотки са същите както при постоянните

синхронни машини. Роторите са явнополюсни. На тях е

поставена пускова намотка която се излива от алуминий.

~ 40 ~

23в. Стъпкови двигатели. Синхронни тахогенератори.

1. Стъпковите двигатели:

Представляват синхронни микродвигатели при които захранването на статорните

намотки, се осъществява с импулсно напрежение от потенциален най – често

електронен комутатор.

Под въздействие на всеки импулс роторът прави преместване наречено стъпка.

Комутаторът представлява определена последователност от импулси в „М“ фазно

система в еднополярни импулси. Като стъпкови двигатели се използват синхронните

микро машини без намотка в ротора.

Фиг. 23.1

S

N

2. Синхронни тахо генератори:

Синхронните тахо генератори представляват най – честоеднофазни синхронни машини.

Роторът на които се изпълнява от постоянни магнити.

N

NS

S

ZTUизх

Фиг. 23.2

х х 1

(23.2)

Изходната характеристика на практика не е линейна, това се обяснява с

изменението на честотата на електро движещото напрежение, когато се изменя

честотата на въртене се изменят индуктивните съпротивления „ “ и „ “. Това

е причина синхронните тахогенератори да не намират широко приложение.

Качествата се подобряват, когато се включи полупроводников изправител.

На статорът се поставят няколко съсредоточени

намотки захранвани от комутатора.

𝛼 6

𝑘 𝑝 (23.1)

където:

𝛼 – големина на стъпката;

к − брой на тактовете в един цикъл;

р – брой на чифтовете полюси.

в случаят са 4 такта.

Статорът е направен от електротехническа стомана.

Роторът е явно полюсен просто магнит. В каналите е

поставена статорна намотка. При въртене на ротора в

статорната намотка се индуктира електро движещо

напрежение.

Uизх = f (n) – представлява външна характеристика,

която е най – важната характеристика за всеки тахо

генератор. Стремежът е характеристиката да бъде

по – линейна.

~ 41 ~

24 в. Селсини. Завъртащи трансформатори. Безконтактни селсини.

Използват се за завъртане на два или повече вала. Те са със индукционни сили.

Фиг. 24.1

ДДатчик

ППриемник

ВН ВН

β

Те са индукционни машини имащи свойството да се синхронизират в зависимост от

изпълняващите функции. Те се делят на:

Селсин датчик – възприема ъгълът на преместване на командният вал;

Селсин приемник – възпроизвежда закона за движение;

Диференциален селсин – събира и изважда ъгълът на преместване;

Селсин двигател – съчетава силсина приемник и изпълнителният двигател;

Селсин трансформатор – преобразува закона на движение в напрежение.

Роторът на безконтактният селсин представлява пакет от електро техническа стомана разделен

от провес от немагнитен материал. Статорът е със основен пакет в каналите на който е вложена

трифазна разпределителна синхронна намотка.

При завъртане на ротора се завърта и магнитният поток. В трифазната синхронна намотка се

индуктират електро движещи напрежения зависещи от положението на ротора.

Недостатък е сложната конструкция.

25в. Изпълнитилен двигател за постоянен ток. Тахо генератор за постоянен ток.

Специални постоянно токови генератори.

Възбудителната или котвени намотки са свързани към постоянно захранващо напрежение.

Условно се нарича възбудител. Когато на другата намотка наречена успокояваща, се подаде

напрежение котвата се завърта пропорционално на него, за това тези двигатели се наричат

изпълнителни. Те се използват във автоматиката и изчислителната техника. Като

преобразователи на електрически сигнали във въртенето. Изработват се до 100 W. Според това

~ 42 ~

на коя намотка се подава управляващо напрежение има два вида двигатели: със котвено и със

полюсно управление.

Д

Uв

Iв

Uупр

Iупр

Фиг. 25.1 където:

– сума от всички съпротивления във веригата.

С (25.4)

от тук следва, че:

С ф (25.5)

Регулировъчните характеристики имат следният вид:

ν

α

m =

0

m =

0,4

m =

0,6

Фиг. 25.2

26в. Специални постоянно токови машини с постоянни магнити. Високомоментни

постоянно токови машини.

При тези двигатели честотата на въртене се регулира чрез изменение на напрежението ка

котвата и чийто граничен товарен момент при продължителен режим почти не се променя от

честотата на въртене. Регулирането става при постоянен момент.

Изисквания към тези двигатели:

Високи ускорения във преходни процеси;

Запазване граничната честота на продължително въртящ момент във целият обхват на

регулиране, включително при скорости близки до нула;

Висока максимално честота на въртене. Тези двигатели представляват обърната

конструкция на постоанно токова машина.

Котвата е неподвижна и се състой от статорен пакет с канали в които е положена намотката,

която е присъединена към колектора. Индукторът е въртящ се набит на вала с тангенциално

намагнитени оксидни магнити. Котвената намотка е вълнова.

Управляващото напрежение се подава на котвената намотка

докато възбудителната е включена към постоянно напрежение.

Отношението на двете напрежения е:

𝛼 𝑈

𝑈 (25.1)

Се бележи със „𝛼“ и се нарича коефициент на сигнала. Когато:

𝑈 = 0, следователно и: 𝐼 = 0 от което следва че: М = 0.

Магнитната верига е ненаситена следователно магнитният

поток „ф“ ще бъде пропорционален на кв и 𝐼 :

𝑘ф 𝐼 𝑘ф 𝑈 (25.2)

𝐼 𝑈 − 𝐸

𝑅 (25.3)

ν – (ни) относителна честота на въртене;

𝜈 𝑢𝑜

𝑛𝑜 (25.6)

където:

𝑛𝑜 – честота на въртене при празен ход.

𝑚

𝑘 (25.7)

~ 43 ~

Тези двигатели се наричат високо моментни тъй като притежават голяма претоварваща

способност на въртящият момент от 4 до 10 [Nm]. Това позволява да имат добри механични

характеристики.

Високи ъглови характеристики на целият обхват на честотата на въртене. За тези показатели

допринася и малкият инерционен момент. Диапазона на регулиране на честотата на въртене е

от 1 до 10000. Този двигател е една компактна система от: главен двигател, тахо генератор,

електро магнитна спирачка, датчик на път (резолвер), завъртащ се трансформатор и дава добра

връзка за положенито на ротора в системата за управление.

Тези двигатели се изпълняват във две различни коструктивни изпълнения:

1) Нормална конструкция – при която котвата и колекторът се въртят, а индукторът от

постоянен магнит е във статорът.

2) Обърната конструкция – създаването на много големи въртящи моменти се дължи както

на системата на управление към него така и на оптимизираната магнитна система със

високи стойности на специфичната магнитна енергия. Магнитите са феромагнитно

стронциеви.

Фиг. 26.1

3

1

2

Фиг. 26.2

М

n

[Nm]

[min-1]

3

2

1

Управлението на тока в котвата се усъществява чрез трифазен мостов реверсивен изправител.

27в. Еднофазни колекторни двигатели – индуктиране на е.д.н., въртящ момент,

комутация. Репулсионни двигатели.

По устройство този двигател е кото двигател за постоянен ток със последователно възбуждане.

ВН I ↓

Фиг. 27.1

Възбудителна намотка

~ U

1. Постоянни магнити;

2. Корпус на статора;

3. Котва.

1. Развъртане и спиране;

2. Режим S2 – кратковременен (за 30 минути);

3. Режим S1 – продължителен режим на работа.

Възбудителната намотка е свързана последователно. Магнитният

поток „Ф“ и тока през котвато са в фаза (почти във фаза). По тази

причина те променят знаците си едновременно.

~ 44 ~

Фиг. 27.2

M

IФ

Mср

t

Ако токът „ “ и магнитният поток „Ф“ на са в фаза, а са дефазирани във времето във ъгъл „ϕ“

тогова:

С ( ) (27.3)

С (27.4)

Следователно: момента зависи от дуфазирането между токо на котвата и потока на

възбуждането. Затова не се използва колекторен двигател, със паралелно възбуждане. Тъй като

при тях ще се получи голям ъгъл на дефазиране и това ще намали момента.

Механичната характеристика: U = f (M) е силно падаща (мека характеристика):

U

MФиг. 27.3

28в. Трифазни колекторни двигатели. Двигатели Щруге Рихтер – устройство,

действие и характеристики.

Този двигатели по устройство и принцип на действие приличат на асинхронните двигатели.

Във идеята за създаване на такива двигатели лежат следните особенности: при регулиране

честотата на въртене на асинхронните двигатели с навит ротор се вкарва в роторната намотка

допълнителелно електро движещо напрежение. Честотата на това електро движещо напрежение

трябва да бъде равна на честотата на роторната намотка.

Фиг. 28.1

u1 (f1)

f2 = 2f1

Статор

Трифазната намотка захранва от електрическата мрежа се разполага в ротора. Към колектора се

поставят три двойки четки разположени на 120о.

Вторичната намотка е трифазна разположена в статора.

При подаване на трифазно симетрично напрежение към намотката на ротора, в нея се създава

въртящо магнитно поле с честота „f1“, в статора е с честота „f2“. Четките в статора затварят

𝜋 𝑀𝑑𝑡

𝜋

( )

С 𝐼 (27.1)

Честотата на въртене, се регулира чрез изменение на

захранващото напрежение. Могат да се получат високи

честоти на въртене до 20 000 оборота и мощност до 600 W.

Приложение: електрически инструменти във бита.

~ 45 ~

накъсо статорната намотка. При раздаличаване на четките се получава допълнително електро

движещо напрежение, което е пропорционално на ъгъла между тях.

ϰ

М

ϰ – над синхроннатасинхронна

ϰ – под синхронната

Фиг. 28.2 Намаляването на честотата на въртене е по – голямо когато допълнителното електро движещо

напрежение е по – голямо (колкото четките се раздаличават) и „ϰ“ става по голям.

Приложение: текстилна, хартиена и захарна промишленост.

~ 46 ~

Технически университет – Габрово

Катедра „Електроснабдяване и Електрообзавеждане“

ВЪПРОСНИК

по

ЕЛЕКТРИЧЕСКИ МАШИНИ – ЧАСТ 2

1. Принцип на действие на Постоянно Токовите Машини (ПТМ). Устройство на ПТМ.

Основни елементи.

2. Магнитна верига на ПТМ.

3. Намотки на ПТМ. Видове. Е.д.н. на ПТМ.

4. Реакция на котвата на ПТМ.

5. Комутация.

6. Средства за подобряване на комутацията.

7. Постоянно Токови Генератори (ПТГ). Видове ПТГ с независимо възбуждане.

Характериситики.

8. ПТГ с паралелно, последователно и смесено възбуждане. Характеристики.

9. Енергетична диаграма. Основно уравнение на напрежението е електро магнитен момент

на ПТГ.

10. Постоянно Токов Двигател (ПТД). Видове. ПТД със шунтово възбуждане,

характеристики, енергетична диаграма. Пускане в ход.

11. ПТД със последователно и смесено възбуждане. Характеристики. Пускане в ход.

12. Устройство и начин на действие на Синхронните Машини (СМ).

13. Взаимодействие между магнитните полета на индуктора и котвата, изразени чрез

пространствени вектори.

14. Магнитно поле и параметри на неявнополюсна и на явнополюсна машина.

15. Уравнение на напрежението на Синхронен Генератор (СГ). Векторни диаграми.

Характеристики.

16. Паралелна работа на СМ.

17. Ъглови характеристики на СМ. Статическо претоварване. Синхронизирана мощност и

момент.

18. Превъзбуждане и недовъзбуждане на СМ. V – криви.

19. СГ. Мощност, момент и работни характеристики.

20. Начини на пускане на синхронен конпенсатор.

21. Колебание и динамична устойчивост на СМ.

22. Синхронни микро машини с постоянни магнити. Реактивни синхронни двигатели.

23. Стъпкови двигатели. Синхронни тахо генератори.

24. Селсини. Завъртащи трансформатори. Безконтактни селсини.

25. Изпълнитилен двигател за постоянен ток. Тахо генератор за постоянен ток. Специални

постоянно токови генератори.

26. Специални ПТМ с постоянни магнити. Високомоментни ПТМ.

27. Еднофазни колекторни двигатели – индуктиране на е.д.н., въртящ момент, комутация.

Репулсионни двигатели.

28. Трифазни колекторни двигатели. Двигател „Щраге – Рихтер“ – устроиство, принцип на

действие, характеристики.