Рабочая тетрадь по МДК 01.01 Электрические машины

Государственное профессиональное бюджетное образовательное учреждение

Самарской области

«Самарский политехнический колледж»

МДК 01.01 Электрические машины

Рабочая тетрадь

специальность 08.02.09 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий

Разработал: преподаватель Намычкина Ирина Александровна

2016 г.

Рабочая тетрадь предназначена для проведения само-  и взаимоконтроля знаний и умений обучающихся по всем темам междисциплинарного курса. Предложенные задания, контрольные вопросы, тесты способствуют самостоятельному  систематическому изучения предмета и повышению уровня знаний обучающихся.

Рабочая тетрадь предназначена для обучающихся,  изучающих междисциплинарный курс «Электрические машины»  по специальности 08.02.09 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ		4
	Тема 1. Трансформаторы	5
	Тема 2. Электрические машины переменного тока	11
	Тема 3. Электрические машины постоянного тока	18
	Тема 4. Основы электропривода	24
ЛИТЕРАТУРА		27
ПРИЛОЖЕНИЯ		28

ВВЕДЕНИЕ

Рабочая тетрадь  по МДК 01.01 Электрические машины разработана на основе Федерального государственного образовательного стандарта и рабочей программы по специальности 08.02.09 Монтаж, наладка и эксплуатация электрооборудования промышленных и гражданских зданий.  Рабочая тетрадь состоит из четырех тем.  В каждой теме  имеются теоретические вопросы и вопросы прикладного характера - расчетные задачи,  вопросы, где нужно закончить предложение, в некоторых темах  имеются задания по составлению структурных схем. Для успешного усвоения учебного материала в каждой теме приведен краткий теоретический материал  и  задачи, развивающие логическое и техническое мышления.

Задания рабочей тетради используются для самостоятельной работы обучающихся при изучении теоретического материала с целью контроля полученных знаний, составлены таким образом, что для их успешного решения необходимы знания не только по курсу  электротехники, но и по общеобразовательным и специальным дисциплинам. Выполнение заданий поможет обучающимся  более глубоко и всесторонне усвоить программный материал, способствует повышению уровня самостоятельного и систематического изучения предмета, повышению качества знаний учащихся.

Рабочая тетрадь предназначена для само- и взаимоконтроля, а так же для использования при тематическом, рубежном и итоговом контроле знаний обучающихся по каждой теме. Она поможет закрепить знания основных законов электротехники и электроники, облегчит усвоение материала о физических процессах, построении электрических и электронных схем. Задания, данные в рабочей тетради, помогут преподавателям учитывать индивидуальные особенности обучающихся.

Тема 1.  Трансформаторы

 Краткая теория

Трансформатор представляет собой электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования величины напряжения без изменения частоты.

Трансформатор  состоит из  замкнутого  ферромагнитного  сердечника, на котором размещены две или большее число обмоток. Обмотка, подключенная к источнику энергии, называется первичной. Обмотки, подключенные к сопротивлениям нагрузки, называются вторичными.

Сердечник (магнитопровод) трансформатора изготавливают из листовой электротехнической стали, имеющей малые потери на перемагничивание и на вихревые токи. Отдельные листы стали изолируют слоем лака, после чего стягивают болтами. Такое устройство применяется для уменьшения вихревых токов, индуктируемых в стали переменным потоком.

По конструкции  сердечника различают два типа трансформатора: броневые и стержневые. На рис. 1.1  изображен   броневой трансформатор,  или  трансформатор  с   Ш-образным сердечником, а на рис. 1.2 - стержневой трансформатор с П-образным сердечником.

                              Рис. 1.1                          Рис. 1.2

Под холостым ходом трансформатора понимается режим его работы при разомкнутой вторичной обмотке. Первичная обмотка трансформатора подключена к источнику переменного напряжения. Ток i_1х первичной обмотки создает переменное магнитное поле, намагничивающее сердечник трансформатора. Магнитный поток в трансформаторе разделим на две части: основной магнитный поток Ф, замыкающийся в сердечнике, и поток рассеяния Ф_1S, замыкающийся частично по воздуху. На рис. 1.3 изображен трансформатор, работающий в режиме холостого хода.

                                                         Рис. 1.3

W₁ - число витков первичной обмотки; W₂- число витков вторичной обмотки;

R₁ - активное сопротивление первичной обмотки.

Режим нагрузки. Если к первичной обмотке трансформатора подключить напряжение U₁, а вторичную обмотку соединить с нагрузкой, в обмотках появятся токи I₁ и I₂. Эти токи создадут магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, направленные навстречу друг другу. Суммарный магнитный поток в магнитопроводе уменьшается. Вследствие этого индуктированные суммарным потоком ЭДС E₁ и E₂ уменьшаются. Действующее значение напряжения U₁ остается неизменным. Уменьшение E₁, вызывает увеличение тока токи I₁. При увеличении тока I₁ поток Ф₁ увеличивается ровно настолько, чтобы скомпенсировать размагничивающее действие потока Ф₂. Вновь восстанавливается равновесие при практически прежнем значении суммарного потока.

 В нагруженном трансформаторе, кроме основного магнитного потока, имеются потоки рассеяния Ф_1S и Ф_2S, замыкающиеся частично по воздуху.
        Для опыта короткого замыкания собирается схема рис. 1.4

Зажимы вторичной обмотки замыкаются накоротко. Измеряют напряжение, ток   и   мощность: U_1k, I_1k, P_k.   Опыт  короткого  замыкания  осуществляется при

пониженном напряжении на первичной обмотке.

Рис. 1.4

Наиболее  часто в  электротехнических   установках используются следующие  специальные типы трансформаторов: автотрансформаторы, многообмоточные и трехфазные трансформаторы.

Автотрансформатором называется такой трансформатор, у которого имеется только одна обмотка, часть которой принадлежит одновременно вторичной и первичной цепям. Схема однофазного трансформатора изображена на рис. 1.5

Режим холостого хода автотрансформатора, когда I₂ = 0, ничем не отличается от режима холостого хода обычного трансформатора.                                                               

Подводимое к трансформатору напряжение U₁ = U_AB равномерно распределяется между витками первичной обмотки.

Автотрансформаторы выгодно использовать в тех случаях, когда коэффициент трансформации близок к единице.

Многообмоточные (одна первичная и несколько вторичных) трансформаторы используются в радиотехнических схемах для получения нескольких  напряжений.

В трехфазной сети переменного тока преобразование напряжений осуществляется с помощью трехфазного трансформатора с общим для трех фаз сердечником. В трехфазном трансформаторе с общим магнитопроводом магнитный поток любой из фаз может замыкаться через стержни, на которых расположены обмотки двух других фаз. Затраты стали на трехфазный трансформатор значительно меньше, чем на три однофазных трансформатора. В промышленных цепях переменного тока в большинстве случаев используются трехфазные трансформаторы, обмотки которых могут быть соединены звездой, треугольником и звездой с выведенной нулевой точкой. Для снижения нагрузки на трансформаторы при подключении потребителей большой мощности, а также повышения надежности работы трехфазные трансформаторы подключаются на параллельную работу.

Задание 1. Закончите предложения

1. Принцип действия трансформаторов основан на явлении _______________________

2. Обмотка трансформатора, включенная в сеть источника электрической энергии, называется_____________________________________________________________________

3. Обмотка трансформатора, от которой энергия подается к приемнику, называется _______________________________________________________________________________

4. Трансформаторы большой мощности в настоящее время изготовляют исключительно

Задание 2. Ответьте на вопросы

1.  Назначение трансформатора

Ответ_______________________________________________________________________

2. Для чего сердечник трансформатора собирают из тонких листов трансформаторной стали, изолируют друг от друга?

Ответ _________________________________________________________________________

3. Как изменится магнитный поток в сердечнике трансформатора при увеличении тока нагрузки в три раза?

Ответ _________________________________________________________________________

4. Где применяются трансформаторы?

Ответ  _________________________________________________________________________

5. Можно ли использовать повышающий трансформатор для понижения напряжения в сети.

Ответ _________________________________________________________________________

Задание 3. Выберите правильный ответ

№  п/п	Вопрос	Вариант ответа	Ответ
1	Статический электромагнитный аппарат, преобразующий переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты	а.  двигатель
		б. трансформатор
		в. генератор
2	Отношение числа витков первичной обмотки трансформатора к числу витков вторичной обмотки трансформатора (коэффициент)	а.  трансформации
		б.  нагрузки
		в.  полезного действия
3	Изобретатель трансформатора	а. Яблочков
		б. Доливо-Добровольский
		в. Ползунов
4	Назначение трансформатора	а. вырабатывает электроэнергию
		б. преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения
		в. преобразует переменный ток одного напряжения в постоянный ток другого напряжения
5	Трансформаторы, преобразующие напряжение в сети в более низкое или более высокое напряжение	а. простые
		б. силовые
		в. специального назначения
6	Магнитопроводы трансформаторов изготовляют из	а. чугуна
		б. стали
		в. пластмассы
7	Отношение напряжения на вторичной обмотке трансформатора к напряжению на первичной обмотке трансформатора    (коэффициент)	а. полезного действия
		б. трансформации
		в. усиления
8	Токи, возникающие в проводниках, находящихся в переменных магнитных полях, создаются в сердечнике трансформатора	а. вихревые
		б. электромагнитные
		в. переменные
9	Режим работы трансформатора, при котором вторичная обмотка разомкнута (режим)	а. нагрузки
		б. холостого хода
		в. короткого замыкания
10	Трансформатор, у которого обмотка низкого напряжения является частью обмотки высокого напряжения (трансформатор)	а. однофазный
		б. трехфазный
		в.  авто

Задание 4. Найдите ошибки в тексте

1. Трехфазный трансформатор имеет магнитопровод, набранный из листовой трансформаторной стали, на котором размещены две обмотки (рис. 1) с числом витков w1 и w2 .  2. В зависимости от номинальных токов у трансформаторов принято различать об­мотки высшего и низшего напряжения. 3. Трансформатор служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжение с изменением частоты.

4. При холостом ходе трансформатор потребляет из сети мощность, которая идет на потери в обмотках. 5. Опыт холо­стого хода позволяет определить состояние обмоток транс­форматора. 6. Если потери мощности при холостом ходе окажутся значительно больше номинальных, в таком трансформаторе неисправен магнитопровод.

7. Для проведения опыта короткого замыкания к пер­вичной обмотке трансформатора подводят такое пони­женное напряжение, при котором по вторичной замк­нутой накоротко обмотке протекает номинальный ток. 8. Если при этом ваттметр покажет потери мощности больше номинальных, это значит, что неисправен магнитопровод трансформатора. 9.В результате опыта короткого замыкания опре­деляют электрические потери мощности в магнитопроводе трансформатора.

Задание 5. Заполните таблицу

№ п/п	Номер  предложения	Ошибка
1	1

Задание 6. Решите задачи

1. Однофазный трансформатор подключен к сети 220В. потребляемая мощность 2,2кВт. Ток вторичной обмотки 1А. определите коэффициент трансформации.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

2. Определите напряжение сети, в которую можно включить однофазный трансформатор с вторичным напряжением 400В и коэффициентом трансформации 20,5.

Дано:_________________________________________________________________________

Найти:________________________________________________________________________

Решение:______________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

Ответ: ________________________________________________________________________

3. Мощность,    потребляемая    трансформатором    из    сети,    при активной   нагрузке  

=500Вт. Напряжение сети =100В. коэффициент трансформации трансформатора равен 10. Определить ток нагрузки.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

4. В трехфазном трансформаторе первичное линейное напряжение 35кВ, линейный коэффициент трансформации 66,6. Определите фазное напряжение, если обмотка соединена звездой.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

5. Автотрансформатор имеет обмотку 460 витков, рассчитанную на напряжение 250В. определите от какого витка нужно сделать отвод, чтобы получить 140В.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

Задания для самостоятельной работы

1. Выполните конспект.

Типы трансформаторов и их применение (трехфазные, многообмоточные, измерительные, автотрансформаторы).

2. Решите задачи по вариантам: Расчет  трехфазного трансформатора.

Потребители электрической энергии питаются от трехфазного двухобмоточного понижающего трансформатора с номинальной мощностью Sном при номинальном первичном U1ном и вторичном U2ном  линейных напряжениях с номинальной частотой f =50 Гц.

Технические данные трансформатора: потери мощности при холостом ходе Р0, потери мощности при коротком замыкании  Рк , напряжение короткого замыкания U к% при токах в обмотках I1ном и I2ном равных номинальным. Способ соединения обмоток трансформатора «звезда».

Принимая во внимание паспортные данные трансформатора, приведенные для соответствующего варианта задания в таблице, определить коэффициент трансформации К, коэффициент полезного действия ηном  при номинальной нагрузке, cosφ=0,8, токи в первичной I1ном и во вторичной I2ном обмотках, фазные первичные U10 и вторичные U20  напряжения при холостом ходе, вторичное напряжение U2  при токе нагрузке I2=2I2ном и cosφ=0,7

Технические данные трансформатора	Варианты контрольного задания
	1               2	3               4	5               6	7              8	9             10
Тип Sном, кВ·А U1ном кВ U2ном кВ Р0, кВ Рк, кВ Uк, %	ТМ-25/6-10 25 6             10             0,23     0,40  0,13 0,60 4,5	ТМ-40/6-10 40 6             10             0,23     0,40    0,175 0,88 4,5	ТМ-63/6-10 63 6             10      0,23     0,40    0,24 1,28 4,5	ТМ-100/6-10 100 6             10     0,23      0,40    0,33 1,97 6,5	ТМ-160/6- 10 160 6              10    0,23     0,40     0,51 2,65 4,5

Тема 2. Электрические машины переменного тока

Краткая теория

Электрические машины представляют собой электромеханические устройства, предназначенные для преобразования энергии.

По роду тока различают машины переменного и машины постоянного тока.

Устройство и работа электрических машин основаны на явлениях электромагнитной индукции и взаимодействии магнитных полей.

Электрическая машина имеет неподвижную часть – статор и подвижную ротор. В зависимости от принципа действия электрической машины каждая из этих частей может быть индуктором (служит для создания магнитного поля) или якорем (в нем наводится ЭДС индукции).

Электрическими машинами переменного тока являются синхронные и асинхронные машины. Синхронные машины применяют главным образом в качестве генераторов,  асинхронные используют в основном в качестве двигателей и крайне редко – в качестве генераторов.

Устройство асинхронного двигателя. Сердечник статора 1  (рис. 1) набирается из стальных пластин толщиной 0,35 или 0,5 мм. Пластины штампуют с впадинами  (пазами), изолируют лаком или окалиной для уменьшения потерь и вихревые токи, собирают в отдельные пакеты и крепят в станине двигателя 3. К станине прикрепляют также боковые щиты с поме­щенными на них подшипниками, на которые опирается вал ротора. Станину устанавливают на фундаменте. В продольные пазы статора укладывают проводники его обмотки 2, которые соответствующим образом соединяют между собой так, что образуется трехфазная система. На щитке 4 машины имеется шесть зажимов, к которым присоединяются начала и концы обмоток каждой фазы. Для под­ключения обмоток статора к трехфазной сети они могут быть сое­динены звездой или треугольником, что дает возможность включать двигатель в сеть с двумя различными линейными напряжениями. Например, двигатель может работать от сети с напряжением 380 и 220 В. На щитке машины указаны оба напряжения сети, на ко­торые рассчитан двигатель, т. е. 220/127 В или 380/220 В. Для более низких напряжений, указанных на щитке, обмотка статора соединяется треугольником, более высоких — звездой.

Для соединения обмотки статора треугольником на щитке ма­шины верхние зажимы соединяют перемычками с нижними (рис. 3, а), а каждую пару соединенных вместе зажимов подключают к линейным проводам трехфазной сети. Для включения звездой три нижних зажима на щитке соединяют перемычками в общую точку, а верхние подключают к линейным проводам трехфазной сети (рис.3,б).

Рис 1 Устройство статора асинхрон­ного двигателя

Сердечник ротора 1 (рис. 2, а) также набирают из стальных пластин толщиной 0,5 мм, изолированных лаком или окалиной для уменьшения потерь на вихревые токи. Пластины штампуют с впа­динами и собирают в пакеты, которые крепят на валу машины. Из пакетов образуется цилиндр с продольными пазами, в которых укладывают проводники обмотки ротора 2. В зависимости от типа обмотки асинхронные машины могут быть с фазным и короткозамк-нутым роторами. Короткозамкнутая обмотка ротора выполняется по типу беличьего колеса (рис. 2, б). В пазах ротора укладывают массивные стержни, соединенные на торцовых сторонах медными кольцами 3 (см. рис. 2, а). Часто короткозамкнутую обмотку ро­тора изготовляют из алюминия. Алюминий в горячем состоянии (аливают в пазы ротора под давлением. Такая обмотка всегда шмкнута накоротко, и включение сопротивления в нее невозможно.

Рис 2 Ротор короткозамкнутого асинхронного двигателя

А) устройство       Б) обмотка

               Рис. 3. Соединение зажимов на щитке двигателя   при   включении   обмотки статора   

                                                     треугольником    (а) и звездой (б)

Фазная обмотка ротора выполнена подобно статорной, т. е. проводники соответствующим образом соединены между собой, образуя трехфазную систему.

Обмотки трех фаз соединены звездой. Начала этих обмоток подключены к трем контактным медным кольцам, укрепленным на валу ротора. Кольца изолированы друг от друга и от вала и вращаются вместе с ротором. При вращении колец поверхности их скользят по угольным или медным щеткам, непод­вижно укрепленным над кольцами. Обмотка ротора может быть замкнута на какое-либо сопротивление или накоротко с помощью указанных выше щеток.

Двигатели с короткозамкнутым ротором проще и надежнее в эксплуатации, значительно дешевле, чем двигатели с фазным ро­тором. Однако двигатели с фазным ротором, как мы увидим ниже, обладают лучшими пусковыми и регулировочными свойствами.

В настоящее время асинхронные двигатели выполняют преиму­щественно с короткозамкнутым ротором и лишь при больших мощ­ностях и в специальных случаях используют фазную обмотку ро­тора. В России производят асинхронные двигатели мощностью от нескольких десятков ватт до 15 000 кВт при напряжениях обмотки статора до 6 кВ.

Наряду с важными положительными качествами — простотой конструкции и обслуживания, малой стоимостью — асинхронный двигатель имеет и некоторые недостатки, из которых наиболее существенным является относительно низкий коэффициент мощ­ности (cosφ). У асинхронного двигателя cosφ при полной нагрузке может достигать значения 0,85—0,9; при недогрузках двигателя его cosφ резко уменьшается и при холостом ходе составляет 0,2—0,3. Низкий коэффициент мощности асинхронного двигателя объясня­ется большим потреблением реактивной мощности, которая необ­ходима для возбуждения магнитного поля. Магнитный поток в асинхронном двигателе встречает на своем пути воздушный зазор между статором и ротором, который в большой степени увеличи­вает магнитное сопротивление, а следовательно, и потребляемую двигателем реактивную мощность.

В целях повышения коэффициента мощности асинхронных дви­гателей воздушный зазор стремятся делать, возможно, меньшим, доводя его у малых двигателей (порядка 2—5 кВт) до 0,3 мм. В двигателях большой мощности воздушный зазор приходится уве­личивать по конструктивным соображениям, но все же он не пре­вышает 2—2,5 мм.

На практике асинхронные машины используются главным образом в качестве двигателей, и подавляющее число применяемых в промышленности электрических двигателей являются асинхронными.

Все виды машин переменного тока рассчитываются на работу при синусоидальном переменном токе. В синхронных машинах нормальных типов ротор вращается с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле. Таким образом, вращение ротора происходит в такт, или синхронно, с вращающимся полем, откуда и происходит название этого вида машин.

Синхронные машины используются, прежде всего, в качестве генераторов, на электрических станциях переменного тока устанавливаются синхронные генераторы. Однако все более расширяется также применение синхронных машин в качестве двигателей.

Задание 1. Закончите предложения

1. Машина, преобразующая электрическую энергию в механическую называется _______________________________________________________________________________

2. Наибольшее распространение среди электрических двигателей получил _________________________________ двигатель, впервые сконструированный известным русским электриком О.М. Доливо - Добровольским.

3. Работа асинхронного двигателя основана на явлении, названном ________________

______________________________________________________________________________ .

4. Асинхронная машина обладает свойством ___________________________, т.е. может быть использована как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

5.  Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей  _____________________ и __________________________.

Задание 2. Ответьте на вопросы

1.  Что такое скольжение асинхронного двигателя.

Ответ_______________________________________________________________________

2. Как изменится частота вращения, ток обмотки статора и  допустима ли работа асинхронного двигателя, если во время работы с моментом, равным половине номинального, сгорит плавная вставка одного из трех предохранителей в цепи статора?

Ответ _________________________________________________________________________

3. Какие существуют типы асинхронных электродвигателей и чем они отличаются?

Ответ _________________________________________________________________________

4. Почему в момент пуска двигателя через обмотку протекает большой ток?

Ответ  _________________________________________________________________________

5. Какой способ регулирования частоты вращения асинхронных двигателей наиболее экономичен?

Ответ _________________________________________________________________________

Задание 3. Выберите правильный ответ

№  п/п	Вопрос	Вариант ответа	Ответ
1	Короткозамкнутую обмотку ротора изготовляют из …	а. алюминия
		б. стали
		в. серебра
2	Двигатель с фазным ротором отличается от двигателя с короткозамкнутым ротором наличием	а.  контактных колец
		б.  щеток
		в.  пазов для охлаждения
		г. числом катушек статора
3	Основной недостаток асинхронного двигателя	а. зависимость частоты вращения от момента нагрузки на валу
		б. отсутствие экономичных устройств для плавного регулирования частоты вращения ротора
		в. низкий КПД
4	Синхронный двигатель отличается от асинхронного устройством	а. статора
		б. коллектора
		в. ротора
5	Асинхронный двигатель состоит из двух основных частей	а. ротор
		б. якорь
		в. коллектор
		г. статор
6	Позиция 2 – это __________ обмотки возбуждения.	а. катушка
		б. сердечние
		в. магнитопровод
7	На рисунке изображен ротор	а. короткозамкнутый
		б. с неяпвновыраженными полюсами
		в. с явновыраженными полюсами
8	КПД асинхронного двигателя работающего в режиме холостого хода равна (%)	а. 0
		б. 85
		в. 90
		г. 100
9	Полезная мощность на валу трехфазного асинхронного двигателя мощностью 1кВт включенного в однофазную сеть не более (Вт)	а. 200
		б. 500
		в. 700
		г. 1000
10	Толщина пластин, из которых изготовляют сердечник ротора асинхронного двигателя	а. 0,35
		б. 0,5
		в. 0,55
		г.  0,3

Задание 4. Решите задачи

1. Скорость вращения магнитного поля статора асинхронного двигателя 3000 об/мин, скорость вращения ротора 2940 об/мин. Определите скольжение.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

2. Магнитное поле трехфазного тока частотой 50Гц вращается со скоростью 3000 об/мин. Определите, сколько полюсов имеет это поле.

Дано:_________________________________________________________________________

Найти:________________________________________________________________________

Решение:______________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

Ответ: ________________________________________________________________________

3. Скольжение асинхронного двигателя 0,05; частота питающей сети 50Гц; число пар полюсов вращающегося магнитного поля р=1. Определите скорость вращения ротора.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

4. Шесть катушек сдвинуты в пространстве одна относительно другой на 60°, питаются трехфазным током частотой 400Гц. Определите скорость вращения магнитного поля.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

5. Определите скольжение в процентах для шестиполюсного асинхронного двигателя, если его ротор делает 960 об/мин.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

Задания для самостоятельной работы

1. Подготовьте  реферат

Тема: Электрические машины переменного тока.

2. Решите задачи по вариантам

Выбор электродвигателя по мощности.

На автомобильном заводе для работы станков, конвейерных линий, вентиляторов и другой аппаратуры исполь­зуются асинхронные двигатели. Двигатели работают в номинальных режимах и подключены к электрической сети напряжением U_л = 380 В. Известны число полюсов двигателей и некоторые данные режима рабо­ты: номинальная мощность P₂ном, скольжение Sном, мощности cosφ_HOM, коэффициент полезного действия η ном. Частота  f= 50 Гц.

Определить: 1) частоту вращения магнитного поля статора (синхронная частота) п1 и частоту вращения ротора n_2ном;                

2) ток двига­теля I_1ном

3) номинальный момент вращения М_ном;

4) активную мощ­ность, потребляемую двигателем из сети, Р_1ном.

Данные для своего варианта взять из таблицы.

Номер варианта	Число полюсов двигателей 2р	P2ном кВт	Sном %	COSφном	ηном
1	6	45	4,4	0,89	0,92
2	6	75	4,4	0,88	0,93
3	6	37	4,4	0,87	0,94
4	6	55	4,4	0,89	0,93
5	6	20	4,4	0,88	0,93
6	6	30	4,4	0,89	0,94
7	6	75	4,4	0,90	0,95
8	6	35	4,4	0,91	0,93
9	6	55	4,4	0,88	0,93
10	8	37	2,0	0,89	0,90
11	8	45	2,0	0,84	0,91
12	8	110	2,0	0,85	0,90
13	10	20	1,5	0,92	0,80
14	10	75	3,5	0,89	0,92
15	10	45	2,5	0,92	0,94
16	10	75	1,5	0,80	0,92
17	10	20	2,5	0,88	0,93
18	10	30	1,5	0,91	0,94
19	10	37	2,5	0,93	0,95
20	10	55	1,5	0,89	0,94

Тема 3. Электрические машины постоянного тока

Краткая теория

Электрическая  машина  постоянного  тока состоит из двух основных частей: неподвижной части (индуктора) и вращающейся части (якоря с барабанной обмоткой).

На рисунке изображена конструктивная схема машины постоянного тока. Индуктор состоит из станины 1 цилиндрической формы, изготовленной из ферромагнитного материала, и полюсов с обмоткой возбуждения 2, закрепленных на станине. Обмотка возбуждения создает   основной магнитный поток. Магнитный поток может создаваться постоянными магнитами, укрепленными на станине. Якорь состоит из следующих элементов: сердечника 3,      обмотки 4,    уложенной в пазы сердечника,   коллектора 5. Сердечник   якоря   для   уменьшения   потерь на вихревые токи набирается     из     изолированных     друг    от     друга    листов электротехнической стали.

В реальных электрических машинах постоянного тока используется специальное контактное устройство - коллектор. Коллектор устанавливается на одном валу с сердечником якоря и состоит из отдельных изолированных друг от друга и от вала якоря медных пластин. Каждая из пластин соединена с одним или несколькими проводниками якорной обмотки. На коллектор накладываются неподвижные контактные щетки. С помощью контактных щеток вращающаяся якорная обмотка соединяется с сетью постоянного тока или с нагрузкой.

Любая электрическая машина обладает свойством обратимости, т.е. может работать в режиме генератора или двигателя. Если к зажимам приведенного во вращение якоря генератора присоединить сопротивление нагрузки, то под действием ЭДС якорной обмотки в цепи возникает ток.                                                                                                          

Чтобы машина работала в качестве генератора, необходимо первичным двигателем вращать ее якорь, преодолевая тормозной электромагнитный момент.

Магнитное поле генератора с независимым возбуждением создается током, подаваемым от постороннего источника энергии в обмотку возбуждения полюсов. Схема генератора с независимым возбуждением показана на рис.2.  Магнитное поле генераторов с независимым возбуждением может создаваться от постоянных магнитов (рис. 3).

Рис. 2                              Рис. 3

Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется характеристикой холостого хода E = U_хх = f (I_в) (рис.4).  Характеристику холостого хода получают при разомкнутой внешней цепи (I_я) и при постоянной частоте вращения (n₂ = const) 

Зависимость напряжения на внешних зажимах машины от величины тока нагрузки U = f (I) при токе возбуждения I_в = const называют внешней характеристикой генератора (рис.5).

        Рис. 4                                                  Рис. 5

Недостатком генератора с независимым возбуждением является необходимость иметь отдельный источник питания. Но при определенных условиях обмотку возбуждения можно питать током якоря генератора.

Самовозбуждающиеся генераторы имеют одну из трех схем: с параллельным, последовательным и смешанным возбуждением. На рис.6 изображен генератор с параллельным возбуждением.

Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке. В цепь возбуждения включен реостат R_в. Генератор работает в режиме холостого хода. Чтобы генератор самовозбудился, необходимо выполнение определенных условий.  Первым из этих условий является наличие остаточного магнитного потока между полюсами. При вращении якоря остаточный магнитный поток индуцирует в якорной обмотке небольшую остаточную ЭДС.   Вторым    условием   является    согласное   включение обмотки возбуждения.

 Обмотки возбуждения и якоря должны быть соединены  таким образом, чтобы ЭДС якоря создавала ток, усиливающий остаточный магнитный поток. Усиление магнитного потока приведет к увеличению ЭДС. Машина самовозбуждается и начинает устойчиво работать с каким-то током возбуждения I_в = const и ЭДС Е = const, зависящими от сопротивления R_в в цепи возбуждения. Третьим условием является то, что сопротивление цепи возбуждения при данной частоте вращения должно быть меньше критического. 

Работа электрической машины постоянного тока в режиме двигателя. Под действием напряжения, подведенного к якорю двигателя, в обмотке якоря появится ток I_я. При взаимодействии тока с магнитным полем индуктора возникает электромагнитный вращающий момент.  Чтобы изменить направление вращения двигателя  на обратное  (реверсировать двигатель), необходимо изменить направление тока в обмотке якоря или индуктора.

Двигатель с  параллельным возбуждением в установившемся режиме работы показан на рисунке. Обмотка возбуждения подключена параллельно якорной обмотке.

 Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения якоря n₂ от момента на валу M₂ при U = const и I_в = const.

Механическая характеристика двигателя с                  параллельным возбуждением является жесткой. С увеличением нагрузки частота вращения такого двигателя уменьшается в небольшой степени.

На    рисунке 8   изображен двигатель  последовательного  возбуждения. Якорная обмотка и обмотка возбуждения включены последовательно. Ток возбуждения двигателя одновременно является током якоря. Магнитный поток индуктора пропорционален току якоря.

 Механическая характеристика двигателя последовательного возбуждения является мягкой. С увеличением нагрузки скорость двигателя резко падает.  С уменьшением нагрузки на валу двигатель развивает очень большую частоту вращения. Говорят, что двигатель идет   вразнос. Работа двигателя последовательного возбуждения без нагрузки недопустима.                                                                    

Двигатель смешанного возбуждения имеет механическую характеристику, представляющую собой нечто среднее между  механическими  характеристиками    двигателя    параллельного и последовательного возбуждения.

Двигатели с параллельным возбуждением применяются для привода станков  и   различных   механизмов,   требующих   широкой            рис.8

регулировки скорости.

Двигатели с последовательным возбуждением применяются   в качестве тяговых двигателей электровозов, трамваев и т.д.

Задание  1. Закончите предложения

1. Электрические машины, преобразующие механическую энергию в электрическую, называются ____________________________________________________________________

2. Принцип действия электрического__________________________ основан на явлении электромагнитной индукции.

3. Неподвижная часть в машинах постоянного тока является  _____________________, т.е. создающей магнитное поле, а вращающаяся часть является ________________________ (якорем).

4. Для преобразования переменного тока в постоянный применяется _______________

_______________________________________________________________________________

Задание 2. Ответьте на вопросы

1.  Перечислите способы изменения числа оборотов двигателей постоянного тока.

Ответ_______________________________________________________________________

2. От чего зависит ЭДС машины постоянного?

Ответ _________________________________________________________________________

3. Какие бывают типы обмоток якоря?

Ответ _________________________________________________________________________

4. Почему в момент пуска двигателя через обмотку протекает большой ток?

Ответ  _________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

5. Назначение коллектора в машине постоянного тока.

Ответ _________________________________________________________________________

Задание 3. Выберите правильный ответ

№  п/п	Вопрос	Вариант ответа	Ответ
1	Ток якоря двигателя постоянного тока увеличится в 2 раза. Вращающийся момент двигателя параллельного возбуждения	а. не изменится
		б. увеличится в 2 раза
		в. увеличится в 4 раза
2	Сердечник вращающегося якоря машины постоянного тока набирают из тонких листов электротехнической стали для	а.  уменьшения электрических потерь
		б.  уменьшения тепловых потерь
		в.  конструктивных соображений
3	Ток генератора постоянного тока увеличится, вращающий момент	а. не изменится
		б. увеличится
		в. уменьшится
4	Назначение коллектора	а. выпрямление переменного тока
		б. крепление обмоток якоря
		в. соединение обмоток якоря с клеммами машины
5	Позиция 1 - это	а. сердечник якоря
		б. коллектор
		в. щетки
		г. статор
		д. полюсная катушка
6	Двигатель последовательного возбуждения подключили к сети при отключенной нагрузке на валу	а. двигатель не запустится
		б. обмотка якоря перегрузится
		в. частота вращения двигателя возрастет
7	.  Позиция 3 – это _________.	А. полюсной наконечник
		б. обмотка катушки возбуждения
		в. сердечник
		г. станина
8	Какой ток опасен для генератора параллельного возбуждения	а. короткого замыкания
		б. холостого хода
		в. пусковой ток
		г. критический ток
9	Зависимость ЭДС генератора от тока возбуждения называется	а. характеристикой холостого хода
		б. внешней характеристикой генератора
		в. механической характеристикой  двигателя
10	На графике изображена внешняя характеристика генератора. Какая электрическая величина должна быть отложена на оси ординат.	а. U
		б. E
		в. I
		г.  R

Задание 4. Решите задачи

1. Определите ток цепи якоря генератора постоянного тока, если наведенная в ней ЭДС равна 115В, сопротивление якоря 0,264Ом, сопротивление параллельной обмотки возбуждения 15Ом и он работает на нагрузку мощностью 5кВт при напряжении 110В.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

2. При 2800 об/мин в генераторе с независимым возбуждением с внутренним сопротивлением 0,0936Ом установился ток 64А при напряжении 440В. определите, как изменится ток в генераторе, если его скорость уменьшится до 740 об/мин.

Дано:_________________________________________________________________________

Найти:________________________________________________________________________

Решение:______________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________

Ответ: ________________________________________________________________________

3. Электродвигатель постоянного тока с последовательным возбуждением присоединен к сети с напряжением  и вращается со скоростью Двигатель развивает полезный момент на валу М=120 Н·м, КПД двигателя  . Суммарные сопротивления якоря и обмоток возбуждения . Определить полезную  и потребляемую мощность

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

4. Генератор с параллельным возбуждением рассчитан на напряжение   и имеет сопротивление якоря    , сопротивление обмотки возбуждения   . Генератор нагружен сопротивлением  , КПД генератора .

Определить токи в обмотке возбуждения, якоря и нагрузке, ЭДС генератора.

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

5. Генератор  постоянного тока с параллельным возбуждением отдает полезную мощность Р₂  = 2 кВт при номинальном напряжении U_ном = 115 В. Ток в обмотке возбуждения I_В =2,9А. Генератор развивая э.д.с. Е = 120В.. Мощность, затрачиваемая на вращение генератора, равна Р₁ = 2,5 кВт.  Определить силу тока в  нагрузке I_Н и якоре I_А;  сопротивление в обмотке возбуждения R_В и в цепи якоря  R_А;

Дано:__________________________________________________________________________

Найти:_________________________________________________________________________

Решение:_______________________________________________________________________

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Ответ: _________________________________________________________________________

Задания для самостоятельной работы

1. Выполните конспект.

Потери  энергии и КПД машин постоянного тока.

2. Решите задачи по вариантам.

Расчет  параметров машин постоянного тока.

Вариант 1

1. При частоте вращения якоря 2000 об/мин ЭДС равна 200В. Найти постоянный коэффициент машины «С», если магнитный поток полюса равен 10ֿ² Вб.

2. ЭДС четырехполюсного генератора постоянного тока равен 210В. Определить частоту вращения якоря, если магнитный поток полюса Ф=1,5 • 10ֿ² Вб, число проводников 600, число пар параллельных ветвей 2.

3. Определить число оборотов вращающегося магнитного поля статора, если число пар полюсов Р=2, частота тока 50 Гц.

Вариант 2

1.              Определить ЭДС шестиполюсного генератора постоянного тока, вращающего­ся со скоростью 1400 об/мин, если обмотка якоря имеет две параллельные вет­ви и состоит из 800 активных проводников. Магнитный поток генератора ра­вен 0,015 Вб.

2.              Найти магнитный поток машины постоянного тока, если ЭДС 100В, постоян­ная машины равна 1,5, а число оборотов 900 об/мин.

3.              Определить частоту тока генератора, если частота вращения ротора 900 об/мин, число пар полюсов 2.

Тема 4.  Основы электропривода

Краткая теория

Машины  и  механизмы   приводятся   в   движение  с   помощью электропривода.     Электроприводом    называется электромеханическое устройство, предназначенное для электрификации и автоматизации рабочих процессов.

Электропривод состоит из преобразующего, элект­родвигательного, передаточного и управляющего уст­ройств (рис.1). Преобразующее устройство ПрУ преобразует напряжение, ток или частоту напряжения.

Рис. 1  Структурная схема электропривода

Оно может быть выполнено в виде магнитного усили­теля, магнитного усилителя с выпрямлением, управ­ляемого выпрямителя на тиристорах и т. д.

В электродвигательном устройстве ЭДУ происходит преобразование электрической энергии в механиче­скую. Передаточное устройство ПУ служит для изме­нения скорости до значения, необходимого рабочему механизму РМ. Оно может быть выполнено в виде редуктора, т. е. быть неуправляемым. Управляемое ПУ представляет собой коробку передач с электромаг­нитными муфтами, изменяющими ее передаточное число.

Управляющее устройство УУ регулирует работу всех блоков электропривода, изменяя мощность на валу рабочего механизма, значение и частоту на­пряжения, схему включения электродвигателя, переда­точное число коробки передач, направление вращения электродвигателя и т. д.

На практике электропривод бывает автоматизиро­ванный и неавтоматизированный. В автоматизирован­ном электроприводе человек создает только начальное управляющее    воздействие     (пуск    электропривода).

В неавтоматизированном человек периодически управ­ляет работой электропривода в зависимости от откло­нений от заданного режима.

Электроприводы делят на три  группы:   1)   группо­вые; 2) одиночные  3) многодвигательные.

В групповых электроприводах электродвигатель с помощью механической передачи (трансмиссии) при­водит в действие несколько рабочих механизмов.

В одиночных электроприводах механизм приводит­ся в действие индивидуальным электродвигателем. При этом все элементы рабочего механизма соеди­няются с приводным двигателем соответствующими передачами.

В многодвигательных электроприводах каждый орган рабочего механизма снабжен своим двигателем. Так, например, на расточном станке вращение фрезы производится с помощью одного двигателя, продоль­ное перемещение детали — другого, поперечное пере­мещение — третьего.

По условиям нагрева электродвигателей различают три основных режима их работы приводов: длительный, кратковременный, повторно-кратковременный.

Электроприводы характеризуются номинальными данными, к числу которых относятся следующие величины: мощность, напряжение, скорость вращения, коэффициент полезного действия, коэффициент мощности. При изучении темы следует особое внимание уделить выбору типа и мощности электродвигателя для различных условий работы. Электродвигатель должен удовлетворять требованиям, предъявляемым к нему со стороны производственного механизма, соответствовать условиям среды, в которой он будет находиться во время работы, обладать достаточной надежностью и экономичностью, простой по устройству и управлению конструкцией и иметь наименьшую массу и габариты. Выбор электродвигателя производят по роду силы тока и номинальному напряжению; номинальной мощности и скорости; по естественной механической характеристике; пусковым и тормозным свойствам; регулированию скорости и конструктивному исполнению.

Задание 1. Ответьте на вопросы

1.  Что называется электроприводом?

Ответ_______________________________________________________________________

2. Основные функции электропривода?

Ответ _________________________________________________________________________

3. Перечислите основные части электропривода.

Ответ _________________________________________________________________________

4. Режимы  работы   электродвигателей?

Ответ  _________________________________________________________________________

5. По каким основным показателям выбирают тип электродвигателя для электрооборудования?

Ответ _________________________________________________________________________

_______________________________________________________________________________

Задание 2. Выберите правильный ответ

№  п/п	Вопрос	Вариант ответа	Ответ
1	В состав электропривода входят	а.  электродвигатель
		б.  рабочий механизм
		в.  преобразующее устройство
		г.  генератор
		д.  трансформатор
2	Преобразующее устройство электропривода преобразует	а. напряжение
		б. ток
		в. частоту напряжения
		г. переменное напряжение в постоянное
		д. постоянное напряжение в переменное
3	Передаточное устройство в электроприводе	а. повышает частоту вращения вала рабочего механизма
		б.  понижает частоту вращения вала рабочего механизма
		в. служит для изменения частоты вращения вала до значения, необходимого рабочему механизму
4	Количество электродвигателей входящих в состав электропривода	а.  один
		б.  несколько
		в.  количество зависит от типа электропривода
5	Позиция 1 – это  _________ устройство.	а. преобразующее устройство
		б. электродвигательное
		в.управляющее устройство
		г. передаточное устройство

Задания для самостоятельной работы

1. Выполните конспект.

Релейно-контакторное управление электродвигателями.

ЛИТЕРАТУРА

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электро­ники.- М.: Мастерство, 2010.

2. Гальперин М.Ф. «Электротехника и электроника», М.: Форум, 2009

 3. Евдокимов Ф.Е. Общая электротехника.- М.: Высшая школа, 2011.

4. Синдеев Ю.Г.  Электротехника с основами электроники – Ростов н/Д: Феникс, 2010.

5. Касаткин А.С, Немцов М.В. «Электротехника» - М.: «Академия», 2012.

6. Электротехника и электроника: учебное пособие / И.М. Бондарь. – 2-е изд. Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ»; Феникс,2010

7. Электроника: Учебное пособие / В.И. Лачин, Н.С. Савелов. – Ростов н/Д: Феникс, 2010

8. Электротехника: Рабочая тетрадь для учащихся нач. и студ. сред. проф. образования / Г.Я. Ярочкина, А.А. Володарская. – М.: Издательский центр «Академия», 2008

ПРИЛОЖЕНИЯ

Технические характеристики трансформаторов

Тип трансформатора	Sном, кВ·А	Напряжение обмоток кВ			Потери мощности, кВт		Uк, %	I1х %
		Uном1	Uном2	Рст		Ро.ном
ТМ-25/6;10	25	6,  10	0,23; 0,4	0,13		0,69	4,7	3,2
ТМ-40/6;10	40		0,23; 0,4	0,175		1,0	4,7	3,0
ТМ-63/6;10	63		0,23; 0,4	0,24		1,47	4,7	2,8
ТМ-100/6;10	100		0,23; 0,4	0,33		2,27	6,8	2,6
ТМ-160/6;10	160		0,23; 0,4; 0,69	0,51		3,1	4,7	2,4
ТМ-250/6;10	250		0,23; 0,4; 0,69	0,74		4,2	4,7	2,3
ТМ-400/6;10	400		0,23; 0,4; 0,69	0,95		5,5	4,5	2,1
ТМ-630/6;10	630		0,23; 0,4; 0,69	1,31		7,6	5,5	2,0
ТМ-1000/6;10	1000		0,23; 0,4; 0,69	2,45		12,2	5,5	2,8
ТМ-1600/6;10	1600		0,23; 0,4; 0,69	3,3		18,0	5,5	2,6
ТМ-2500/6;10	2500	10	0,4; 0,69; 10,5	4,3		24,0	5,5	1,0

Технические данные комплектных

конденсаторных  установок напряжением 380 В

Тип установки	Qб,  Квар	Тип установки	Qб,  Квар	Тип установки	Qб,  Квар
УК-0.38-75	75	УК-0.38-220Н	220	УК-0.38-330Н	330
УК-0.38-78	78	УК-0.38-225	225	УК-0.38-430Н	430
УК-0.38-110Н	110	УК-0.38-300Н	300	УК-0.38-450Н	450
УК-0.38-150Н	150	УК-0.38-320Н	320	УК-0.38-540Н	540

Ряд возможных синхронных частот n1

магнитного поля статора при частоте 50Гц

Число пар полюсов р	1	2	3	4
Синхронная частота поля статора n1	3000	1500	1000	500