Файл: Лебедев, Н. Н. Электротехника и электрооборудование учеб. пособие [для монтаж. и строит. спец. техникумов].pdf

Яя — сопротивление обмотки якоря, Ом.

В начальный момент пуска электродвигателя, когда якорь еще неподвижен и его противоэлектродвижущая сила равна нулю, ток в якоре может достичь большой величины. По закону Ома он будет ра­ вен напряжению, деленному на сопротивление обмотки якоря. В связи с этим для пуска электродвигателей постоянного тока применяют реостаты, ограничивающие силу тока в якоре в момент пуска.

Схемы включения электродвигателей с параллельным и последо­ вательным возбуждением представлены на рис. 8.9. Следует иметь ввиду, что обмотка возбуждения двигателя параллельного возбуждения должна включаться так, чтобы она всегда находилась под полным на­ пряжением сети (см. рис. 8.9, а).

§ 8.5. Механические характеристики электродвигателей постоянного тока

Механической характеристикой электродвигателя, как уже указы­ валось в § 7.6, называется зависимость его скорости вращения от раз­ виваемого им момента, т. е. п — f (М). Характеристика может быть выражена математической формулой и изображена графически.

Величину вращающегося момента двигателя постоянного тока оп­ ределяют по формуле

130

С.увеличением нагрузки двигателя вследствие торможения якоря

иуменьшения его скорости начинает уменьшаться противоэлектродвижущая сила и поэтому величина тока возрастает, что видно из при­ веденной выше формулы (8.1).

Скорость двигателя при изменении тока в якоре можно выразить уравнением:

где п — число оборотов в минуту.

Из формулы (8.3), определяющей скоростную характеристику, вид­ но, что скорость вращения электродвигателя постоянного тока прямо пропорциональна подводимому к нему напряжению U и обратно про­ порциональна магнитному потоку полюсов Ф.

Если в формулу (8.3) подставить значение тока / я из формулы (8.2):

,М

‘я *= n s , получим математическое выражение механической характеристики двигателей постоянного тока:

Все три формулы: (8.2), (8.3) и (8.4) справедливы для всех электро­ двигателей постоянного тока. Вместе с тем свойства двигателей парал­ лельного и последовательного возбуждения, определяемые этими фор­ мулами, весьма различны. Дело в том, что в двигателях параллельного возбуждения (см. схему рис. 8.9, а) ток, протекающий через обмотку возбуждения, имеющую напряжение сети, не зависит от нагрузки дви­ гателя. Следовательно, и магнитный поток в этих двигателях является величиной постоянной, не зависящей от нагрузки двигателя. В двига­ телях же последовательного возбуждения через обмотку возбуждения проходит весь ток электродвигателя (см. рис. 8.9, б), в связи с чем маг­ нитный поток электродвигателя возрастает вместе с нагрузкой (пример­ но пропорционально росту величины тока / я).

При учете этого обстоятельства анализ формулы (8.4) показывает, что у двигателей параллельного возбуждения рост нагрузки (враща­ ющего момента М) вызывает лишь незначительное уменьшение скорости вращения; у двигателей же последовательного возбуждения при уве­ личении нагрузки скорость вращения резко снижается.

Графически естественная механическая характеристика двигателей параллельного возбуждения изображается прямой линией, слегка на­ клонной к горизонтальной оси, а двигателей последовательного воз­ буждения — ниспадающей кривой типа гиперболы.

Таким образом, естественная механическая характеристика электро­ двигателя параллельного возбуждения — жесткая; она подобна такой же характеристике асинхронного электродвигателя (устойчивой его работе). У двигателя же последовательного возбуждения ествественная механическая характеристика — мягкая.

На рис. 8.10 приведены искусственные (реостатные) механические характеристики двигателей параллельного (а) и последовательного (б)

возбуждений, полученные введением дополнительного сопротивления в цепь якоря. Из рисунка видно, что у двигателей параллельного воз­ буждения введение дополнительного сопротивления в цепь якоря из­ меняет характеристику: они становятся мягче; то же и у двигателей по­ следовательного возбуждения. Мягкость характеристики возрастает с увеличением вводимого сопротивления..У двигателей параллельного возбуждения искусственные характеристики могут быть получены так­ же изменением магнитного потока возбуждения включением в его цепь дополнительного сопротивления. Характеристики при этом остаются жесткими.

Рис. 8.10. Механические характеристики электродвигате­ лей постоянного тока;

о —с параллельным возбуждением; б — с последовательным возбуждением; естественные характеристики без дополни­ тельного сопротивления; Rt — R* — искусственные характеристи­ ки с добавочными сопротивлениями реостата Ri<.Ri<.Rs<Rt

Из рассмотрения механической характеристики двигателей после­ довательного возбуждения можно сделать некоторые выводы. Эти двигатели, во-первых, развивают большой вращающийся момент при малых оборотах (в частности, при пуске в ход) и, во-вторых, обладают большой перегрузочной способностью. Вместе с тем с уменьшением нагрузки на валу число оборотов двигателя быстро возрастает и при малых нагрузках (меньше % нормальной) он приобретает скорость, опасную для его целостности. Вхолостую, т. е. без нагрузки, электро­ двигатели последовательного возбуждения вообще нельзя пускать: они идут, как принято говорить, в «разнос». Это является их отрица­ тельным свойством.

Такого рода электродвигатели больше всего подходят для привода подъемно-транспортных устройств. Их широко применяют в электри­ ческой тяге (трамваи, троллейбусы, электрифицированные железные дороги). А в строительной практике двигатели последовательного воз­ буждения используют на мощных экскаваторах с питанием от двига­ тель-генераторов и на электрических погрузчиках с питанием от ак­ кумуляторов. Управляют крупными двигателями с последовательным возбуждением контроллерами (контроллеры, см. гл. 12).

132

§ 8.6. Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока

Регулирование скорости двигателей постоянного тока, как видно из формулы (8.3), может быть достигнуто следующими способами: вве­ дением сопротивления в цепь якоря; изменением магнитного потока; изменением напряжения, подводимого к двигателю.

В в е д е н и е м с о п р о т и в л е н и я в цепь якоря можно ре­ гулировать скорость двигателя только в сторону ее уменьшения. Этот способ применим для подъемников, лебедок, поршневых компрессоров, насосов и т. п. Однако он связан со значительными потерями электро­ энергии, обусловленными нагревом добавочного сопротивления, через которое протекает весь ток якоря.

Большее применение имеет регулирование скорости вращения дви­ гателя и з м е н е н и е м м а г н и т н о г о п о т о к а (его уменьше­ нием). Таким способом можно регулировать скорость вращения дви­ гателя только в сторону ее увеличения. У двигателя параллельного возбуждения для этой цели включают реостат в цепь обмотки возбуж­ дения; увеличивая сопротивление реостата, снижают ток возбуждения и уменьшают этим самым магнитный поток; скорость вращения двига­ теля увеличивается.

У двигателя последовательного возбуждения реостат включают па­ раллельно обмотке возбуждения (шунтируют ее реостатом); уменьшая в данном случае сопротивление реостата, снижают величину тока, про­ текающего через обмотку, уменьшают при этом магнитный поток, соз­ даваемый обмоткой; скорость вращения двигателя увеличивается.

Регулирование скорости вращения и з м е н е н и е м н а п р я ­ ж е н и я , подводимого к электродвигателю, рассматривается в следую­ щем параграфе при описании электропривода по системе генератордвигатель.

§ 8.7. Электропривод по системе генератор-двигатель (Г-Д)

Для экономичного регулирования скорости вращения двигателей постоянного тока в широких пределах и плавного их пуска применяет­ ся система генератор-двигатель (Г-Д). В электроприводе по системе Г-Д можно получить пределы регулирования скорости приводного электро­ двигателя до 20:1.

На рис. 8.11 приведена схема системы генератор-двигатель, в кото­ рой генератор постоянного токд Г, приводимый во вращение от асин­ хронного электродвигателя АД (или любого двигателя иного вида), электрически соединен с двигателем постоянного тока Д. Вал двигате­ ля Д жестко соединен с валом рабочей машины, число оборотов кото­ рой подлежит регулированию. Как генератор, так и электродвигатель постоянного тока имеют независимое возбуждение от отдельного воз­ будителя В. Возбудитель представляет собой генератор постоянного тока с параллельным возбуждением, который насажен на один вал с электродвигателем переменного тока. Пуск приводного электродви­ гателя постоянного тока Д производится без пускового реостата повы-

133

шением напряжения на зажимах генератора Г. К зажимам пускового приводного электродвигателя Д можно подвести направление любой малой величины увеличением сопротивления в цепи обмотки возбуж­ дения ВГ генератора постоянного тока. С увеличением тока возбужде­ ния генератора увеличивается напряжение на его зажимах, а следова­ тельно, и на зажимах электродвигателя Д, вследствие чего его скорость возрастает. Таким образом, управляют пуском и регулируют скорости вращения двигателя Д только изменением тока возбуждения генерато­ ра, а при необходимых случаях и двигателя без реостатов. Этим упро­

---нитный поток Ф. Уменьшение подводи­

Систему Г-Д применяют в строительстве для привода крупных эк­ скаваторов и бурильных установок.

В тех случаях, когда система Г-Д не может создать усилий, достаточ­ ных для преодоления больших перегрузок, используют управление электроприводом по системе ТГ-Д (трехобмоточный генератор-двига­ тель), в которой генератор постоянного тока имеет три обмотки воз­ буждения. независимого возбуждения, параллельного возбуждения и последовательного возбуждения, а приводной электродвигатель_ одну обмотку независимого возбуждения. При соответствующем под­ боре ампер-витков последовательной обмотки возбуждения генератора ее магнитный поток при перегрузке приводного электродвигателя выше допустимой становится равным и направленным противоположно сум­ марному потоку обмоток независимого и параллельного возбуждения.

Это размагничивает генератор. Напряжение генератора и момент приводного электродвигателя снижаются до нуля и электродвигатель останавливается. Когда вращающий момент становится ниже макси­ мально допустимого, электродвигатель снова начинает вращаться 1аким образом, защита рабочей машины и электропривода от разруше­ ния и работа агрегата осуществляются автоматически.

ГЛАВА ДЕВЯТАЯ

ТРАНСФОРМАТОРЫ

§ 9.1. Общие сведения

Трансформаторами называют аппараты, работающие на переменном токе, предназначенные для преобразования электрической энергии од­ ного напряжения в энергию другого напряжения. Те из них, которые преобразуют низшее напряжение в высшее, называются п о в ы с и ­ т е л ь н ы м и , а осуществляющие обратный процесс, т. е. понижа­ ющие напряжение электроэнергии, —п о н и з и т е л ь н ы м и . Тран­ сформаторы могут иметь различные назначения. Так, в условиях строи­ тельства трансформаторы применяются: для передачи электроэнергии, сварочных работ, электропрогрева бетона, работы электроинструмен­ тов и в измерительных целях. Трансформаторы для передачи электро­ энергии н а з ы в а ю т с и л о в ы м и .

Силовые трансформаторы играют существенную роль в энергети­ ческом хозяйстве страны. Без них была бы невозможной передача электроэнергии на сколько-нибудь значительные расстояния. Извест­ но, что мощность электрического тока — постоянного и переменного — пропорциональна произведению напряжения на ток. Известно также, что выбор сечения проводов при передаче электрической энергии зави­ сит от тока, проходящего по проводам; чем больше ток, тем с большим сечением приходится выбирать провода во избежание чрезмерных по­ терь в них напряжения и энергии.

Отсюда следует, что при передаче электрической энергии необхо­ димо, чтобы ток получился возможно меньшим, а это может быть до­ стигнуто лишь за счет повышения напряжения. Положим, требуется передать электроэнергию для питания участка строительства, где об­

б) при напряжении 10 000 В (10 кВ): :

320-1000

23 А.

1,73-10000-0,8

Из сравнения полученных результатов вытекает вывод, что при на­ пряжении 380 В передача заданной электрической мощности даже на небольшое расстояние порядка 1—2 км технически трудно осуществима, так как при токе 610 А сечения проводов для такой передачи оказались бы чрезвычайно большими. При напряжении же 10 кВ (именно на та­ ком напряжении организуются магистральные электрические сети на

135

стройках), при токе 23 А, передачу необходимой мощности можно осу­ ществить просто и экономично небольшим сечением проводов.

Чем больше передаваемая мощность и чем на большее расстояние не­ обходимо ее передать, тем выше требуется напряжение электропереда­ чи. Расчеты показывают, что повышение напряжения в п раз увеличи­ вает возможности передачи электроэнергии в п2раза.

Генераторы районных электростанций вырабатывают электроэнер­ гию при напряжении порядка 10 000 В (10 кВ). А дальше у электро­ энергии может быть два пути. Близлежащие к электростанции районы снабжаются энергией при данном генераторном напряжении. На месте потребления это напряжение преобразуется при помощи понизительных трансформаторов в напряжение 380 и 220 В. Для перадачи электроэнер­ гии к промышленным предприятиям и городам, расположенным на да­ леком расстоянии от электростанции, напряжение энергии предвари­ тельно повышается на повысительных трансформаторах до 110 , 220, 330, 500 кВ. В районах использования электроэнергия высокого на­ пряжения снова преобразуется. Посредством понизительных транс­ форматоров напряжение обычно понижается два раза: сначала до 35, 10 или 6 кВ для местных электросетей, а затем уже на месте потреб­ ления — до 380 или 220 В.

Таким образом, силовые трансформаторы многократно участвуют в передаче потока электроэнергии по стране.

Государственным стандартом (ГОСТом) установлены линейные на­ пряжения трехфазного переменного тока для электроприемников до 1000 В: 220, 380 и 660 В. Учитывая потерю напряжения в сетях до электроприемников, понизительные трансформаторы по ГОСТу должны иметь номинальные напряжения (на низшей стороне) соответственно 230, 400 и 690 В. Далее ГОСТ предусматривает напряжения свыше

1000 В: 3, 6, 10, 20, 35, ПО, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ*.

На строительных площадках сравнительно редко приходится иметь дело с установками напряжением выше 10 кВ. Поэтому в дальнейшем изложении будут описаны трансформаторы, работающие при напряже­ нии до 10 кВ включительно.

§ 9.2. Принципиальное устройство трансформаторов

Трансформаторы могут быть однофазными и трехфазными. Для спе­ циальных целей изготовляют также многофазные трансформаторы.

Принцип действия трансформаторов основан на явлении взаимной индукции, сходном с явлением электромагнитной индукции.

На замкнутом стальном сердечнике (рис. 9.1) имеются две обмотки: АВ — с одним количеством и CD — с другим количеством витков. Если первую обмотку присоединить к цепи переменного тока с напряжением Uly то по проводам обмотки будет протекать переменный электрический ток, который создаст в сердечнике переменный магнитный поток. Под воздействием этого потока во второй обмотке CD будет наводиться пе­

* Напряжения 660 (690) В и 20 кВ , введенные ГОСТом, пока еще мало при­ меняют.

136