Электрические машины - файл n1.doc. Кацман М

Учебник для студ. учреждений сред, проф. образования. — 12-е изд., стер. — М.: Академия, 2013. — 496 с. ISBN 978-5-7695-9705-3.В учебнике рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как общего, так и специального назначения, получивших распространение в различных отраслях техники.
Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01. «Организация технического обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования» (МДК.01.01) по специальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования».
Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть использовано студентами вузов.Предисловие.
Введение.
Назначение электрических машин и трансформаторов.
Электрические машины электромеханические преобразователи энергии.
Классификация электрических машин.
Трансформаторы.
Рабочий процесс трансформатора.
Назначение и области применения трансформаторов.
Принцип действия трансформаторов.
Устройство трансформаторов.
Уравнения напряжений трансформатора.
Уравнения магнитодвижущих сил и токов.
Приведение параметров вторичной обмотки и схема замещения приведенного трансформатора.
Векторная диаграмма трансформатора.
Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов.
Явления при намагничивании магнитопроводов трансформаторов.
Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода.
Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформаторов.
Упрощенная векторная диаграмма трансформатора.
Внешняя характеристика трансформатора.
Потери и КПД трансформатора.
Регулирование напряжения трансформаторов.
Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов.
Группы соединения обмоток трансформаторов.
Параллельная работа трансформаторов.
Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы.
Трехобмоточные трансформаторы.
Автотрансформаторы.
Переходные процессы в трансформаторах.
Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов.
Перенапряжения в трансформаторах.
Трансформаторные устройства специального назначения.
Трансформатор с подвижным сердечником.
Трансформаторы для выпрямительных устройств.
Пик-трансформаторы.
Умножители частоты.
Трансформаторы для дуговой электросварки.
Силовые трансформаторы общего назначения.
Охлаждение трансформаторов.
Общие вопросы теории бесколллекторных машин.
Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока.
Принцип действия синхронного генератора.
Принцип действия асинхронного двигателя.
Принцип выполнения обмоток статора машин переменного тока.
Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора.
Электродвижущая сила катушки.
Электродвижущая сила катушечной группы.
Электродвижущая сила обмотки статора.
Зубцовые гармоники ЭДС.
Основные типы обмоток статора.
Трехфазные двухслойные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу.
Трехфазная двухслойная обмотка с дробным числом пазов на полюс и фазу.
Однослойные обмотки статора.
Изоляция обмотки статора.
Магнитодвижущая сила обмоток статора.
Магнитодвижущая сила сосредоточенной обмотки.
Магнитодвижущая сила распределенной обмотки.
Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора.
Круговое, эллиптическое и пульсирующее магнитные поля.
Высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы трехфазной обмотки.
Асинхронные машины.
Режимы работы и устройство асинхронных машин.
Двигательный и генераторный режимы работы асинхронной машины.
Устройство асинхронных двигателей.
Магнитная цепь асинхронной машины.
Основные понятия.
Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя.
Магнитные потоки рассеяния асинхронной машины
Роль зубцов сердечника в наведении ЭДС и создании электромагнитного момента.--------
Схема замещения асинхронного двигателя.
Уравнения напряжений асинхронного двигателя.
Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя.
Приведение параметров обмотки ротора и векторная диаграмма асинхронного двигателя.
Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Потери и КПД асинхронного двигателя.
Понятия о характеристиках двигателей и рабочих механизмов.
Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя.
Механические характеристики асинхронного двигателя при изменениях напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя.
Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей.
Основные понятия.
Опыт холостого хода.
Опыт короткого замыкания.
Круговая диаграмма асинхронного двигателя.
Построение рабочих характеристик асинхронного двигателя по круговой диаграмме.
Аналитическим метод расчета рабочих характеристик асинхронных двигателей.
Пуск, регулирование частоты вращения и торможение трехфазных асинхронных двигателей.
Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором.
Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.
Тормозные режимы асинхронных двигателей.
Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели.
Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя.
Асинхронные конденсаторные двигатели.
Работа трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети.
Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами.
Асинхронные машины специального назначения.
Индукционный регулятор напряжения и фазорегулятор.
Асинхронный преобразователь частоты.
Электрические машины синхронной связи.
Асинхронные исполнительные двигатели.
Линейные асинхронные двигатели.
Конструктивные формы исполнения электрических машин.
Нагревание и охлаждение электрических машин.
Способы охлаждения электрических машин.
Конструктивные формы исполнения электрических машин. 2008
Серии трехфазных асинхронных двигателей.
Синхронные машины.
Способы возбуждения и устройство синхронных машин.
Возбуждение синхронных машин.
Типы синхронных машин и их устройство.
Охлаждение крупных синхронных машин.
Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов.
Магнитная цепь синхронной машины.
Магнитное поле синхронной машины.
Реакция якоря синхронной машины.
Уравнения напряжений синхронного генератора.
Векторные диаграммы синхронного генератора.
Характеристики синхронного генератора.
Практическая диаграмма ЭДС синхронного генератора.
Потери и КПД синхронных машин.
Параллельная работа синхронных генераторов.
Включение синхронных генераторов на параллельную работу.
Нагрузка синхронного генератора, включенного на параллельную работу.
Угловые характеристики синхронного генератора.
Колебания синхронных генераторов.
Синхронизирующая способность синхронных машин.
U-образные характеристики синхронного генератора.
Переходные процессы в синхронных генераторах.
Синхронный двигатель и синхронный компенсатор.
Принцип действия синхронного двигателя.
Пуск синхронных двигателей.
U-образные и рабочие характеристики синхронного двигателя.
Синхронный компенсатор.
Синхронные машины специального назначения.
Синхронные машины с постоянными магнитами.
Синхронные реактивные двигатели.
Гистерезисные двигатели.
Шаговые двигатели.
Синхронный волновой двигатель.
Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и электромагнитным возбуждением.
Индукторные синхронные машины.
Коллекторные машины.
Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока.
Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока.
Устройство коллекторной машины постоянного тока.
Обмотки якоря коллекторных машин.
Петлевые обмотки якоря.
Волновые обмотки якоря.
Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря.
Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока.
Выбор типа обмотки якоря.
Магнитное поле машины постоянного тока.
Магнитная цепь машины постоянного тока.
Реакция якоря машины постоянного тока.
Учет размагничивающего влияния реакции якоря.
Устранение вредного влияния реакции якоря.
Способы возбуждения машин постоянного тока.
Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока.
Причины, вызывающие искрение на коллекторе.
Прямолинейная коммутация.
Криволинейная замедленная коммутация.
Способы улучшения коммутации.
Круговой огонь по коллектору.
Радиопомехи коллекторных машин.
Коллекторные генераторы постоянного тока.
Основные понятия.
Генератор независимого возбуждения.
Генератор параллельного возбуждения.
Генератор смешанного возбуждения.
Коллекторные двигатели.
Основные понятия.
Двигатели постоянного тока независимого и параллельного возбуждения.
Пуск двигателя постоянного тока.
Регулирование частоты вращения двигателей независимого (параллельного) возбуждения.
Двигатель последовательного возбуждения.
Двигатель смешанного возбуждения.
Двигатели постоянного тока в тормозных режимах.
Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока.
Машины постоянного тока серий 4П и 2П.
Универсальные коллекторные двигатели.
Машины постоянного тока специального назначения.
Электромашинный усилитель.
Тахогенератор постоянного тока.
Бесконтактные двигатели постоянного тока.
Исполнительные двигатели постоянного тока.
Список литературы.
Предметный указатель.

] Учебное издание. Учебник для учащихся электротехнических специальностей техникумов. Издание второе, переработанной и дополненное.
(Москва: Издательство «Высшая школа», 1990)
Скан: AAW, обработка, формат Djv: DNS, 2012

КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ:
Предисловие (3).
Введение (4).
Раздел 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ (13).
Глава 1. Рабочий процесс трансформатора (15).
Глава 2. Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов (61).
Глава 3. Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы (71).
Глава 4. Переходные процессы в трансформаторах (76).
Глава 5. Трансформаторные устройства специального назначения (84).
Раздел 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН (95).
Глава 6. Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока (97).
Глава 7. Принцип выполнения обмоток статора (102).
Глава 8. Основные типы обмоток статора (114).
Глава 9. Магнитодвижущая сила обмоток статора (125).
Раздел 3. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ (135).
Глава 10. Режимы работы и устройство асинхронной машины (137).
Глава 11. Магнитная цепь асинхронной машины (146).
Глава 12. Рабочий процесс трехфазного асинхронного двигателя (154).
Глава 13. Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя (162).
Глава 14. Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей (179).
Глава 15. Пуск и регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей (193).
Глава 16. Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели (208).
Глава 17. Асинхронные машины специального назначения (218).
Глава 18. Основные типы серийно выпускаемых асинхронных двигателей (230).
Раздел 4. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ (237).
Глава 19. Способы возбуждения и устройство синхронных машин (239).
Глава 20. Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов (249).
Глава 21. Параллельная работа синхронных генераторов (270).
Глава 22. Синхронный двигатель и синхронный компенсатор (289).
Глава 23. Синхронные машины специального назначения (302).
Раздел 5. КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ (319).
Глава 24. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока (321).
Глава 25. Обмотки якоря машин постоянного тока (329).
Глава 26. Магнитное поле машины постоянного тока (348).
Глава 27. Коммутация в машинах постоянного тока (361).
Глава 28. Коллекторные генераторы постоянного тока (337).
Глава 29. Коллекторные двигатели (387).
Глава 30. Машины постоянного тока специального назначения (414).
Глава 31. Охлаждение электрических машин (427).
Задачи для самостоятельного решения (444).
Список литературы (453).
Предметный указатель (451).

Аннотация издательства: В книге рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как общего, так и специального назначения, получивших распространение в различных отраслях техники. 2-е издание (1-е - 1983 г.) дополнено новым материалом, соответствующим современным подходам к теории и практике электромашиностроения.

CРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

«Федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих ФГОС СПО по группе специальностей 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

12 е издание, стереотипное

Р е ц е н з е н т:

Е. П. Рудобаба (Московский вечерний электромеханический

техникум им. Л. Б. Красина)

Кацман М. М.

К 307 Электрические машины: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / М. М. Кацман. - 12&е изд., стер. - М. : Из& дательский центр «Академия», 2013. - 496 с.

ISBN 978&5&7695&9705&3

В учебнике рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как об& щего, так и специального назначения, получивших распространение в раз& личных отраслях техники.

Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01. «Организация технического обслуживания и ремонта элек& трического и электромеханического оборудования» (МДК.01.01) по спе& циальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электриче& ского и электромеханического оборудования».

Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть полезен студентам вузов.

УДК 621.313(075.32) ББК 31.26я723

Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра« Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается

ISBN 978 5 7695 9705 3 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник написан в соответствии с учебными программами пред мета «Электрические машины» для специальностей «Электрические машины и аппараты», «Электроизоляционная, кабельная и конден саторная техника» и «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования» средних профессиональных учебных заведений.

Книга содержит основы теории, описание конструкций и анализ эксплуатационных свойств трансформаторов и электрических ма шин. Кроме того, в ней приведены примеры решения задач, что без условно будет способствовать лучшему пониманию изучаемых воп росов.

В учебнике принят следующий порядок изложения материала: трансформаторы, асинхронные машины, синхронные машины, кол лекторные машины. Такая последовательность изучения облегчает усвоение курса и наиболее полно отвечает современному состоя нию и тенденциям развития электромашиностроения. Наряду с электрическими машинами общего назначения в учебнике рассмот рены некоторые виды трансформаторов и электрических машин специального назначения, приведены сведения по техническому уровню современных серий электрических машин с описанием осо бенностей их конструктивного исполнения.

Основное внимание в учебнике уделено раскрытию физической сущности явлений и процессов, определяющих работу рассматри ваемых устройств.

Принятая в книге методика изложения материала основана на многолетнем опыте преподавания предмета «Электрические ма шины».

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Назначение электрических машин

и трансформаторов

Электрификация - это широкое внедрение в промышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, выра батываемой на мощных электростанциях, объединенных высоко вольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрификация осуществляется посредством устройств, про изводимых электротехнической промышленностью. Основной от раслью этой промышленности является электромашиностроение , занимающееся разработкой и изготовлением электрических машин и трансформаторов.

Электрическая машина представляет собой электромеханиче ское устройство, осуществляющее взаимное преобразование меха нической и электрической энергий. Электрическая энергия выра батывается на электростанциях электрическими машинами - гене раторами, преобразующими механическую энергию в электрическую.

Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на теп ловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) вода нагревается и переводится в пар высокого давления. Последний подается в паровую турбину, где, расширя ясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в тур бине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате элек тромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс производства электроэнергии на атомных электростан циях аналогичен процессу на тепловой электростанции, с той лишь разницей, что вместо химического топлива там используется ядерное.

На гидравлических электростанциях процесс выработки элект роэнергии состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на опре деленный уровень, сбрасывается на рабочее колесо гидротурбины; получаемая при этом механическая энергия путем вращения коле са турбины передается на вал электрического генератора (гидроге нератора), в котором механическая энергия преобразуется в элект рическую энергию.

образования ее в механическую энергию. Это преобразование осу ществляется электрическими машинами - электродвигателями .

Электродвигатель - основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергии, простота ее распределения позволили широко применить в промышленно сти многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдель ные звенья рабочей машины приводятся в движение собственными двигателями. Многодвигательный привод значительно упрощает механизм рабочей машины (уменьшается число механических пе редач, связывающих отдельные звенья машины) и создает большие возможности в автоматизации различных технологических процес сов. Электродвигатели широко используют на транспорте в каче стве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.

За последнее время значительно возросло применение электри ческих машин малой мощности - микромашин мощностью от до лей до нескольких сотен ватт. Такие электрические машины исполь зуют в приборных устройствах, средствах автоматизации и быто вой техники - пылесосах, холодильниках, вентиляторах и др. Мощ ность этих двигателей невелика, конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в круп ные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распре делить среди множества разнообразных потребителей - промыш ленных предприятий, жилых зданий и т. д. Передачу электроэнер гии на большие расстояния осуществляют при высоком напряже нии (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные элект рические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неод нократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выпол няется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами . Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электри ческой энергии в механическую или наоборот. Трансформаторы пре образует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, транс форматор - это статическое устройство, и в нем нет никаких движу щихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при рабо те электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии маг нитного поля и проводника с током. По этим причинам трансформа торы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.

Теоретические основы работы электрических машин были зало жены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобра зования электрической энергии в механическую и создавшим пер вую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электри ческих машин имели работы ученых Д. Максвелла и Э. X. Ленца. Идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила дальнейшее развитие в работах выдающихся рус ских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо Добровольского, которы ми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического использования.

Большие заслуги в создании трансформаторов и их практиче ском применении принадлежат замечательному русскому изобре тателю П. Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созданы по чти все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.

В настоящее время отечественное электромашиностроение до стигло значительных успехов. Дальнейший технический прогресс определяет в качестве основной задачи практическое внедрение до стижений электротехники в реальные разработки устройств элект ропривода для промышленных устройств и изделий бытовой тех ники. Главная задача научно технического прогресса состоит в тех ническом перевооружении и реконструкции производства. Значи тельная роль в решении этой задачи отводится электрификации. При этом необходимо учитывать возрастающие экологические тре бования к источникам электроэнергии и наряду с традиционными необходимо развивать экологически чистые (альтернативные) спо собы производства электроэнергии с использованием энергии солн ца, ветра, морских приливов, термальных источников.

В условиях научно технического развития большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускае мых электрических машин и трансформаторов. Решение этой зада чи является важным средством развития международного эконо мического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения

и промышленные предприятия России ведут работы по созданию новых видов электрических машин и трансформаторов, удовлетво ряющих современным требованиям к качеству и технико экономи ческим показателям выпускаемой продукции.

В.2. Электрические машины - электромеханические

преобразователи энергии

Изучение электрических машин основано на знаниях физичес кой сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе «Теоретические основы электротехники». Поэтому, прежде

Рис. В.2. Правила «правой руки» (а ) и «левой руки» (б )



	F(v)		F(v)
	F(v)		F(v)
F эм		F эм

Рис. B.1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а ) и «элементарном двигателе» (б )

чем приступить к изучению курса «Электрические машины», вспом ним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую очередь закона электромагнитной индукции.

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции : если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. B.1,а ), например, слева на право перпендикулярно вектору индукцииВ магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)

где B - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; v - скорость движения проводника, м/с.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2, а ). Применив это правило, опре делим направление ЭДС в про воднике («от нас»). Если концы

проводника замкнуты на внеш нее сопротивление R (потреби тель), то под действием ЭДС E

в проводнике возникнет ток та кого же направления. Таким

образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генера тор , в котором механическая энергия затрачивается на пере мещение проводника со скоро

стью v.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возни кает действующая на проводник электромагнитная сила

Fэм = BlI.

Направление силы Fэм можно определить по правилу «левой ру ки» (рис. B.2,б ). В рассматриваемом случае эта сила направлена спра ва налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким обра зом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила Fэм является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы равны, т. е. F = Fэм . Умножив обе части равенства на скорость движения проводника v, получим

Fv = Fэм v.

Подставив в это выражение значение Fэм из (B.2), получим

Fv = BlIv = EI.

Левая часть равенства (B.3) определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть - значение электрической мощности, развивае мой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями еще раз подтверждает, что в генераторе меха ническая мощность Fv, затрачиваемая внешней силой, преобразу ется в электрическую мощность EI.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от ис точника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. B.1, б , то на проводник будет действовать только электромагнитная сила Fэм . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике будет индуцироваться ЭДС с направлени ем, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напря жения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС E, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник из сети, частично преобразуется в меха ническую (Fэм v), а частично расходуется на покрытие электриче ских потерь в проводнике (I2 r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать какэлемен тарный электродвигатель .

Описанные явления позволяют сделать вывод:

а) для любой электрической машины обязательно наличие элек тропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;

б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирова ние ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возник новение механической силы, действующей на проводник, находя щийся в магнитном поле, при прохождении по нему электрическо го тока;

в) взаимное преобразование механической и электрической энер гий в электрической машине может происходить в любом направ лении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как

в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство элект рических машин называют обратимостью .

в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими

в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоян ный магнит), а другая - имеет обмотку, которую будем условно

называть рабочей обмоткой ма шины.Как неподвижная часть машины (статор), так и подвиж ная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно мяг кого материала и обладающие небольшим магнитным сопро тивлением.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то

Рис. В.3. Обобщенная конструктив ная схема электрической машины

при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в про водниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении по требителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, воз никший в проводниках этой обмотки, взаимодействует с магнит ным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приво дящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потреб ляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на приведение в действие какого либо механизма, станка, транспортного средства и т. п.

Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждаю щие магнитное поле, - на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк - от долей ватта до сотен тысяч киловатт.

В.З. Классификация электрических машин

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным назначением, так как связано ис ключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий. Однако применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, по требление электроэнергии часто связано с преобразованием пере менного тока в постоянный или же с преобразованием тока промыш ленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей при меняют электромашинные преобразователи .

Электрические машины используют также для усиления мощ ности электрических сигналов. Такие электрические машины на зывают электромашинными усилителями . Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потреби телей электроэнергии, называютсинхронными компенсаторами . Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называютиндукционными регуляторами .

Очень разнообразно применение микромашин в устройствах ав томатики. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестветахогенераторов (для преоб разования частоты вращения в электрический сигнал),сельсинов ,

вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п. Из приве денных примеров видно, сколь разнообразны электрические маши ны по назначению.

(Документ)
Кацман М.М. Электрические машины (Документ)
Бут Д.А. Бесконтактные электрические машины (Документ)
Кацман М.М. Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации (Документ)
Крицштейн А.М. Электромагнитная совместимость в электроэнергетике: Учебное пособие (Документ)
Андрианов В.Н. Электрические машины и аппараты (Документ)
Кацман М.М. Справочник по электрическим машинам (Документ)
Герман-Галкин С.Г., Кардонов Г.А. Электрические Машины. Лабораторные работы на ПК (Документ)
Кочегаров Б.Е., Лоцманенко В.В., Опарин Г.В. Бытовые машины и приборы. Учебное пособие. Часть 1 (Документ)
Копылов И.П. Справочник по электрическим машинам Том 1 (Документ)
Крицштейн А.М. Электрические машины (Документ)

n1.doc

Введение

§ В.1. Назначение электрических машин и трансформаторов

Электрификация - это широкое внедрение в промышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, вырабатываемой на мощных электростанциях, объединенных высоковольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрификация осуществляется посредством электротехнических изделий, производством которых занимается электротехническая промышленность. Основной отраслью этой промышленности является электромашиностроение, занимающееся разработкой и производством электрических машин и трансформаторов.

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами - генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления. Последний подается в турбину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс производства электроэнергии на атомных электростанциях аналогичен тепловым, с той лишь разницей, что вместо химического топлива используется ядерное.

Процесс выработки электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо гидротурбины; получаемая при этом механическая энергия путем вращения колеса турбины передается на вал электрического генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую.

В процессе потребления электрической энергии происходит ее преобразование в другие виды энергий (тепловую, механическую, химическую). Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами - электродвигателями.

Электродвигатель - основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергии, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдельные звенья рабочей машины приводятся в движение самостоятельными двигателями. Многодвигательный привод значительно упрощает механизм рабочей машины (уменьшается число механических передач, связывающих отдельные звенья машины) и создает большие возможности в автоматизации различных технологических процессов. Электродвигатели широко применяют на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.

Особый класс электрических машин составляют двигатели для бытовых электрических устройств - пылесосов, холодильников, вентиляторов и др. Мощность этих двигателей невелика (от единиц до сотен ватт), конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распределить среди множества разнообразных потребителей - промышленных предприятий, транспорта, жилых зданий и т. д. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами. Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электрической энергии в механическую и наоборот; он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, трансформатор - это статическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. По этим причинам трансформаторы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.

Отрасль науки и техники, занимающаяся развитием и производством электрических машин и трансформаторов, называется электромашиностроением. Теоретические основы электромашиностроения были заложены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механическую и создавшим первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электромашиностроения имели работы ученых Д. Максвелла и Э. X. Ленца. Дальнейшее развитие идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила в работах выдающихся русских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо-Добровольского, которыми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического использования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их практическом применении принадлежат замечательному русскому изобретателю П.Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созданы все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.

В настоящее время отечественное электромашиностроение достигло значительных успехов. Если в начале текущего столетия в России фактически не было электромашиностроения, как самостоятельной отрасли промышленности, то за последние 50-70 лет была создана отрасль электротехнической промышленности - электромашиностроение, способная удовлетворять потребности нашего развивающегося народного хозяйства в электрических машинах и трансформаторах. Были подготовлены кадры квалифицированных электромашиностроителей - ученых, инженеров, техников.

Дальнейший технический прогресс определяет в качестве основной задачи закрепление успехов электромашиностроения путем практического внедрения последних достижений электротехники в реальные разработки устройств электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники. Осуществление этого требует перевода производства на преимущественно интенсивный путь развития. Главная задача состоит в повышении темпов и эффективности развития экономики на базе ускорения научно-технического прогресса, технического перевооружения и реконструкции производства, интенсивного использования созданного производственного потенциала. Значительная роль в решении этой задачи отводится электрификации народного хозяйства.

При этом необходимо учитывать возрастающие экологические требования к источникам электроэнергии и наряду с традиционными способами развивать экологически чистые (альтернативные) способы производства электроэнергии с использованием энергии солнца, ветра, морских приливов, термальных источников. Широко внедряются автоматизированные системы в различные сферы народного хозяйства. Основным элементом этих систем является автоматизированный электропривод, поэтому требуется опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов.

В условиях научно-технического развития большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускаемых электрических машин и трансформаторов. Решение этой задачи является важным средством развития международного экономического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения и промышленные предприятия России ведут работы по созданию новых видов электрических машин и трансформаторов, удовлетворяющих современным требованиям к качеству и технико-экономическим показателям выпускаемой продукции.

§ В.2. Электрические машины - электромеханические преобразователи энергии

Изучение электрических машин основано на знаниях физической сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе теоретических основ электротехники. Однако прежде чем приступить к изучению курса «Электрические машины», напомним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую очередь закона электромагнитной индукции.

Рис. В.1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а) и «элементарном двигателе» (б)

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. Природа этого процесса объясняется законом элек тромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. В.1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью , то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)

E=Blv, (B.1)

где В - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м;  - скорость движения проводника, м/с.

Рис. В.2. Правила «правой руки» и «левой руки»

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2, а). Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементар ный генератор.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникает действующая на проводник электромагнитная сила

F ЭМ = BlI . (В.2)

Направление силы F ЭМ можно определить по правилу «левой руки» (рис. В.2, б). В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F ЭМ является тормозящей по отношению к движущей силе F.

При равномерном движении проводника F = F ЭМ . Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

F = F ЭМ 

Подставим в это выражение значение F ЭМ из (В.2):

F = BlI = EI (В.З)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть - значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобразуется в электрическую.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. В.1, б, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F ЭМ . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

U = E + Ir, (В.4)

где r - электрическое сопротивление проводника.

Умножим обе части равенства на ток I :

UI = ЕI + I 2 r.

Подставляя вместо Е значение ЭДС из (В.1), получим

UI =BlI + I 2 r,

или, согласно (В.2),

UI = F ЭМ  + I 2 r . (В.5)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI ), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F ЭМ  ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I 2 r ). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен тарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод: а) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения; б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока; в) взаимное преобразование механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют обратимостью. Принцип обратимости электрических машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

Рассмотренные «элементарные» электрические генератор и двигатель отражают лишь принцип использования в них основных законов и явлений электрического тока. Что же касается конструктивного исполнения, то большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их подвижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. В.З) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ро тором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоянный магнит), а другая - имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей об моткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным сопротивлением.

Рис. В.З. Обобщенная конструктивная схема электрической машины

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, возникший в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на вращение какого-либо механизма, станка и т. п.

Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, - на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк - от долей ватт до сотен тысяч киловатт.

§ В.З. Классификация электрических машин

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным применением, так как связано исключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергии. Применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, потребление электроэнергии часто связано с преобразованием переменного тока в постоянный или же с преобразованием тока промышленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей применяют электромашинные преобразователи.

Электрические машины используют также для усиления мощности электрических сигналов. Такие электрические машины называют электромашинными усилителями. Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потребителей электроэнергии, называют синхронными компенса торами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуля торами

Очень разнообразно применение микромашин в устройствах автоматики и вычислительной техники. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестве тахогенераторов (для преобразования частоты вращения в электрический сигнал), сельсинов, вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п.

Из приведенных примеров видно, сколь разнообразно разделение электрических машин по их назначению.

Рассмотрим классификацию электрических машин по принципу действия, согласно которой все электрические машины разделяются на бесколлекторные и коллекторные, различающиеся как принципом действия, так и конструкцией. Бесколлекторные машины - это машины переменного тока. Они разделяются на асинхронные и синхронные. Асинхронные машины применяются преимущественно в качестве двигателей, а синхронные - как в качестве двигателей, так и в качестве генераторов. Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе в качестве генераторов или двигателей. Лишь коллекторные машины небольшой мощности делают универсальными двигателями, способными работать как от сети постоянного, так и от сети переменного тока.

Электрические машины одного принципа действия могут различаться схемами включения либо другими признаками, влияющими на эксплуатационные свойства этих машин. Например, асинхронные и синхронные машины могут быть трехфазными (включаемыми в трехфазную сеть), конденсаторными или однофазными. Асинхронные машины в зависимости от конструкции обмотки ротора разделяются на машины с короткозамкнутым ротором и машины с фазным ротором. Синхронные машины и коллекторные машины постоянного тока в зависимости от способа создания в них магнитного поля возбуждения разделяются на машины с обмоткой возбуждения и машины с постоянными магнитами. На рис. В.4 представлена диаграмма классификации электрических машин, содержащая основные виды электрических машин, получившие наибольшее применение в современном электроприводе. Эта же классификация электрических машин положена в основу изучения курса «Электрические машины».

К
урс «Электрические машины» помимо собственно электрических машин предусматривает изучение трансформаторов. Трансформаторы являются статическими преобразователями электроэнергии переменного тока. Отсутствие каких-либо вращающихся частей придает трансформаторам конструкцию, принципиально отличающую их от электрических машин. Однако принцип Действия трансформаторов, так же как и принцип действия электрических машин, основан на явлении электромагнитной индукции, и поэтому многие положения теории трансформаторов составляют основу теории электрических машин переменного тока.

Электрические машины и трансформаторы - основные элементы любой энергетической системы или установки, поэтому для специалистов, работающих в сфере производства или эксплуатации электрических машин, необходимы знания теории и понимание физической сущности электромагнитных, механических и тепловых процессов, протекающих в электрических машинах и трансформаторах при их работе.