Раздел 5. Электрические машины

Назначение трансформаторов и их применение. Устройство и принцип действия однофазного трансформатора. Параметры, характеризующие работу трансформатора: ЭДС обмоток, коэффициент трансформации, уравнение ЭДС, уравнение токов, зависимость токов в первой обмотке от токов во второй. Режимы холостого хода и короткого замыкания. Работа трансформаторов под нагрузкой. Равновесие намагничивающих сил обмоток. Упрощенная векторная диаграмма трансформатора: внешняя характеристика. Понятие о процентном изменении напряжения, номинальные токи и напряжения трансформатора. Номинальная мощность трансформатора. Потери энергии и КПД трансформаторов.

Понятие о трехфазных трансформаторах, измерительных трансформаторах, автотрансформаторах и сварочных трансформаторах. Их особенности.

Назначение машин переменного тока. Асинхронные электродвигатели. Получение вращающегося магнитного поля в трехфазных асинхронных электродвигателях. Статор электродвигателя и его обмотки. Ротор электродвигателя и его обмотки. Принцип работы трехфазного асинхронного электродвигателя. Частота вращения магнитного поля статора и частота вращения ротора. Скольжение. ЭДС, сопротивление и ток в обмотках статора и ротора. Вращающий момент асинхронного электродвигателя и зависимость его от скольжения и напряжения на зажимах электродвигателя. Механические характеристики. Пуск в ход трехфазных асинхронных электродвигателей с короткозамкнутым и фазным роторами. Регулирование частоты вращения трехфазных электродвигателей. Однофазный электродвигатель. Потери и КПД асинхронного электродвигателя. Синхронный генератор. Синхронный электродвигатель. Их устройство, работа, свойства и область применения.

Общее устройство электрических машин постоянного тока, основные элементы конструкции и их назначение. Обратимость машин. Принцип работы машины постоянного тока.

Генератор постоянного тока с независимым возбуждением, его схема и характеристики (холостого хода и внешняя). Самовозбуждение генераторов постоянного тока. Генератор постоянного тока с параллельным возбуждением, его схема и внешняя характеристика. Генератор постоянного тока со смешанным возбуждением при согласном и встречном соединениях обмоток возбуждения: внешние характеристики, потери, КПД.

Электродвигатель постоянного тока с параллельным возбуждением, его схема. Пуск двигателя, роль пускового и регулировочного реостатов. Вращающий момент и зависимость его от тока якоря и магнитного потока. Связь между вращающим моментом, мощностью и частотой вращения. Механическая характеристика двигателя с параллельным возбуждением. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока с параллельным возбуждением. Реверсирование электродвигателей постоянного тока. Потери и КПД двигателей постоянного тока. Краткие сведения о двигателях постоянного тока с последовательным и смешанным возбуждением.

Области применения машин постоянного тока.

Практическое занятие № 4. Расчет параметров машин переменного тока.

Задачи и вопросы для самопроверки

1. Поясните роль трансформатора в энергетической системе при передаче и распределении электрической энергии.

2. Укажите назначение и устройство основных элементов трансформатора.

3. Поясните принцип действия трансформатора. Почему магнитопровод должен быть изготовлен из ферромагнитного материала и по возможности иметь минимальный зазор?

4. Почему коэффициент трансформации можно практически определить отношением напряжений обмоток именно при холостом ходе трансформатора?

5. Выведите формулу для определения ЭДС, наводимых в обмотках трансформатора. Почему в формулу должна входить частота тока?

6. Определите число витков вторичной обмотки трансформатора, если при магнитном потоке в магнитопроводе = 0,001 Вб и частоте тока в сети f = 50 Гц в обмотке наводится ЭДС = 220 В. Как изменится масса трансформатора, если частоту тока увеличить вдвое, а ЭДС обмоток оставить прежними? Ответ: число витков - 990.

7. Определите коэффициент трансформации однофазного трансформатора, если амплитуда магнитной индукции в нем = 0,8 Тл, сечение магнитопровода Q = 11,5 см², число витков вторичной обмотки = 18. Трансформатор включен в сеть с напряжением = 220 В и частотой тока f = 50 Гц. Ответ: 60.

8. Как объяснить постоянство основного магнитного потока при изменении нагрузки трансформатора?

9. Дайте определение номинальных параметров трансформатора: мощности, напряжений обмоток, токов.

10. Номинальное напряжение вторичной обмотки (напряжение при холостом ходе) равно 400 В. Потери напряжения в трансформаторе при нагрузке составили 20 В. Чему равно напряжение на вторичной обмотке нагруженного трансформатора?

11. Трансформатор с номинальной мощностью = 10 кВА имеет номинальное вторичное напряжение = 400 В. Найдите полезную мощность и коэффициент нагрузки, если при коэффициенте мощности вторичный ток = 24 А. Потерями в трансформаторе пренебречь. Ответ: 7,84 кВт; 0,91.

12. Число витков первичной обмотки = 100, вторичной = 500. Определите напряжение холостого хода вторичной обмотки, если трансформатор включен в сеть с напряжением 220 В. Найти вторичный ток, если при подключении ко вторичной обмотке активной нагрузки первичный ток = 10 А. Потерями в трансформаторе пренебречь. Ответ: 1100 В; 2 А.

13. Начертите и поясните векторные диаграммы трансформатора в режиме холостого хода и при нагрузке.

14. Какие неисправности могут вызвать понижение вторичного напряжения трансформатора?

15. Какие потери мощности имеют место в трансформаторе при нагрузке?

16. Напишите формулу для определения КПД трансформатора при любой нагрузке. Как изменится КПД при повреждении изоляции пластин магнитопровода?

17. Определите КПД трехфазного трансформатора номинальной мощностью = 630 кВА, работающего с номинальной нагрузкой при коэффициенте мощности потребителя . Потери в стали кВт, потери в обмотках = 12,2 кВт. Ответ: 97,5%.

18. Каково назначение масла в трансформаторе? Что произойдет с трансформатором, если в результате повреждения бака масло вытекло из него?

19. Поясните принцип действия и область применения автотрансформатора.

20. Почему недопустимо размыкание вторичной обмотки трансформатора тока при нагрузке? Почему у трансформатора напряжения, или обычного силового трансформатора, такое размыкание безопасно?

21. Каковы особенности устройства сварочных трансформаторов?

22. Каково назначение основных частей машины постоянного тока: cтанины, полюсов, якоря, коллектора, обмоток?

23. Выведите формулу для определения ЭДС генератора. Каким образом можно регулировать значение ЭДС?

24. Определите ЭДС четырехполюсного генератора, если частота вращения якоря равна 1500 об/мин, магнитный поток полюса составляет 0,01 Вб, а отношение числа активных проводников обмотки якоря к числу пар параллельных ветвей равно 450. Ответ: 225 В.

25. Выведите формулу для электромагнитного момента машины постоянного тока.

26. Определите сопротивление нагрузки генератора с независимым возбуждением, если ток якоря равен 40 А при ЭДС 240 В и сопротивлении обмотки якоря 0,5 Ом. Ответ: 5,5 Ом.

27. В чем заключается явление реакции якоря, каковы ее последствия для генератора и двигателя?

28. Поясните принцип самовозбуждения машины постоянного тока. В каких случаях машина может не возбудиться?

29. Начертите схемы генераторов постоянного тока с независимым, параллельным и смешанным возбуждением и поясните назначение каждого элемента схемы.

30. Какой вид имеют характеристики холостого хода и внешняя у генератора с независимым возбуждением? Какие причины снижают напряжение на выводах такого генератора при увеличении нагрузки?

31. Найдите ток якоря генератора с независимым возбуждением с сопротивлением цепи якоря 1,0 Ом и напряжением холостого хода 230 В, если сопротивление нагрузки составляет 10, 20, 50 Ом. Постройте в масштабе внешнюю характеристику. Ответ: 21 А; 11 А; 4,5 А.

32. Укажите три причины снижения напряжения генератора с параллельным возбуждением при увеличении нагрузки.

33. Найдите полезную мощность генератора, если при напряжении на выводах 110 В ток нагрузки равен 50 А. Ответ: 5,5 кВт.

34. При полезной мощности генератора 10 кВт его КПД равен 90%. Определите суммарные потери мощности в генераторе. Ответ: 1,11 кВт.

35. Поясните принцип действия электродвигателя постоянного тока. Каково назначение коллектора у двигателя?

36. Какова роль противо-ЭДС, наводимой в якоре электродвигателя? Почему в момент пуска велик пусковой ток?

37. Начертите схему электродвигателя с параллельным возбуждением. Каково назначение обоих реостатов?

38. Якорь двигателя постоянного тока вращается с частотой 1500 об/мин. Магнитный поток полюса равен 0,01 Вб. Противо-ЭДС двигателя составляет 220 В. Определите число полюсов, если отношение числа активных проводников на якоре к числу пар параллельных ветвей обмотки равно 440. Ответ: 8.

39. Начертите и поясните рабочие характеристики двигателя с параллельным возбуждением. Почему в области больших нагрузок график момента отклоняется от прямой?

40. Начертите зависимость частоты вращения и момента двигателя с последовательным возбуждением от полезной нагрузки на валу. Почему двигатель с такими характеристиками широко применяется в тяговых установках?

41. Перечислите способы регулирования частоты вращения двигателя с параллельным возбуждением. Какой способ применяется наиболее часто?

42. Какими способами чаще всего регулируют частоту вращения двигателя с последовательным возбуждением?

43. Какие виды потерь имеют место в машине постоянного тока?

44. По каким формулам определяют КПД генератора и двигателя постоянного тока? При какой нагрузке КПД достигает максимума?

45. К двигателю с параллельным возбуждением подведено напряжение 220 В. Чему равна подводимая мощность, если ток якоря равен 25 А, а сопротивление обмотки возбуждения 80 Ом? Ответ: 6,1 кВт.

46. Ток в цепи якоря двигателя с последовательным возбуждением равен 20 А. Найдите противо-ЭДС, наводимую в якоре, электромагнитную мощность и подводимую к двигателю мощность, если сопротивление обмотки якоря 0,5 Ом, обмотки возбуждения 1,5 Ом, а напряжение на выводах двигателя 440 В. Ответ: 400 В; 8 кВт; 8,8 кВт.

47. Найдите сопротивление обмотки якоря двигателя с параллельным возбуждением, если наибольшее сопротивление пускового реостата равно 5 Ом, а ток в момент пуска составил 20 А при напряжении в сети 110 В. Ответ: 0,5 Ом.

48. Построите механическую характеристику двигателя постоянного тока с параллельным возбуждением, если известны его номинальные данные: кВт, об/мин, В, А, 0м.

49. Поясните получение вращающегося магнитного поля в асинхронном электродвигателе. От чего зависит его частота вращения?

50. Какое число пар полюсов должен иметь асинхронный двигатель, если частота тока в сети 50 Гц, а частота вращения магнитного поля статора равна 600 об/мин? Ответ: 5.

51. Поясните принцип действия асинхронного двигателя. Почему такой двигатель называют асинхронным?

52. Что называют скольжением? Почему увеличение нагрузки на валу вызывает увеличение скольжения?

53. Номинальная частота вращения ротора 735 об/мин. Чему равно скольжение ротора, если частота тока в сети 50 Гц? Ответ: 2%.

54. Напишите формулы для определения ЭДС в фазе статора, неподвижного и вращающегося ротора.

55. Магнитный поток асинхронного двигателя равен 0,018 Вб. В фазе обмотки статора наводится ЭДС, равная 380 В. Обмотки статора соединены звездой. Обмоточный коэффициент равен 0,95. Определите число витков фазы статора, если частота тока в сети 50 Гц. Ответ: 100.

56. Число витков фазы обмотки статора 70, ротора 40, а обмоточные коэффициенты равны 0,95 и 0,965 соответственно. Определите ЭДС, наводимые в обмотках статора, неподвижного и вращающегося ротора, если магнитный поток равен 0,015 Вб, а скольжение ротора 0,022. Частота тока в сети 50 Гц. Ответ: 220 В; 128 В; 2,8 В.

57. Определите индуктивное сопротивление фазы обмотки неподвижного ротора, если известны следующие величины: активное сопротивление фазы ротора 5 Ом; наводимая ЭДС 110 В; ток в роторе 10 А. Ответ: 9,8 Ом.

58. Напишите формулы для определения тока в неподвижном и вращающемся роторе асинхронного двигателя.

59. Активное и индуктивное сопротивления фазы неподвижного ротора равны 0,45 и 1,9 Ом соответственно. Определите ток в фазе ротора при пуске и при работе со скольжением 0,05, если в фазе ротора наводится ЭДС, равная 10 В, при работе с упомянутым скольжением. Ответ: 102 А; 21,7 А.

60. На графике зависимости вращающего момента от скольжения покажите устойчивую и неустойчивую области. Почему их так называют?

61. Что называют способностью двигателя к перегрузке и кратностью пускового момента?

62. С помощью зависимости вращающего момента от скольжения поясните причину увеличения тока двигателя при снижении напряжения в сети и постоянной нагрузке.

63. Ротор асинхронного двигателя вращается с частотой 1440 об/мин, двигатель потребляет из сети мощность 55 кВт. Определите мощность на валу двигателя и развиваемый момент, если суммарные потери в двигателе равны 5 кВт. Ответ: 50кВт; 330 Нм.

64. Определите мощность, подводимую к двигателю с фазным ротором, а также ток в обмотках статора при соединении их звездой и треугольником, если при номинальном режиме полезная мощность на валу равна 6,3 кВт, напряжение в сети 380/220 В, КПД двигателя 0,88, а коэффициент мощности 0,69. Ответ: 7,15 кВт; 15,8 А; 15,8 А.

65. В цепь ротора асинхронного двигателя включили реостат. Изменится ли при этом скольжение, если момент на валу остался прежним?

66. Напряжение сети понизилось на 10%. Как изменится при этом вращающий момент асинхронного двигателя? Ответ: уменьшится на 19%.

67. Какие схемы пуска асинхронных двигателей с короткозамкнутым и фазным ротором вам известны? Их особенности.

68. Почему включение реостата в цепь ротора асинхронного двигателя увеличивает пусковой момент и снижает пусковой ток?

69. Какие способы регулирования частоты вращения асинхронного двигателя вам известны?

70. Какие потери имеют место в асинхронном двигателе при работе и в режиме холостого хода?

71. Поясните устройство и принцип действия синхронной машины. Может ли ротор такой машины вращаться асинхронно?

72. Определите число пар полюсов синхронного генератора, если частота вращения ротора равна 500 об/мин, а частота тока в сети 50 Гц. Ответ: 6.

73. Как производится пуск синхронных двигателей?

74. Как можно регулировать частоту вращения синхронного двигателя?