Новиков Н.Н., Шутько В.Ф. Электрические машины. Конспект лекций - файл n1.doc

Новиков Н.Н., Шутько В.Ф. Электрические машины. Конспект лекций
скачать (5147.2 kb.)
Доступные файлы (9):
n1.doc903kb.08.06.2006 22:07скачать
2. TpaHcfopMaTopbI.docскачать
n3.doc3568kb.26.11.2005 20:27скачать
n4.doc1958kb.26.11.2005 20:35скачать
n5.doc4172kb.26.11.2005 20:42скачать
n6.doc6095kb.26.11.2005 20:49скачать
n7.doc3644kb.04.07.2006 23:55скачать
n9.doc55kb.26.11.2005 20:54скачать
n10.doc134kb.26.11.2005 19:59скачать

n1.doc

1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.Назначение и область применения электрических машин


Уровень развития цивилизации во многом определяется количеством энергии, используемой человеком. В настоящее время в наиболее развитых странах на одного человека приходится свыше 10 кВт энергии всех видов. Электрическая энергия среди них составляет наибольшую долю. Это обусловлено замечательными достоинствами электрической энергии перед другими видами энергий:

Потребность в электроэнергии непрерывно растет, особенно в настоящий период в связи с ростом автоматизации и созданием технологических процессов, непосредственно использующих электрическую энергию. Электрическая энергия вырабатывается на электрических станциях из энергии органического или ядерного топлива либо энергии движущейся воды и ветра. При помощи паровых, гидравлических или другого рода турбин эти виды энергии преобразуются в механическую энергию вращения, которая затем в электрической машине, называемой генератором, преобразуется в электрическую энергию.

При использовании электрической энергии часто требуется обратное преобразование ее в механическую (привод станков, механизмов, колес и т.п.). Такое преобразование также осуществляется при помощи электрических машин, называемых двигателями.

Передача электрической энергии от мест производства (электрические станции) к местам потребления (узлы нагрузки) осуществляется посредством электрических сетей, основным элементом которых является линия электропередачи (ЛЭП). Экономичность передачи электрической энергии тем выше, чем выше напряжение на линии. Генераторы и двигатели выполнять на большие напряжения нерационально. Обычный уровень напряжения мощных электрических машин составляет 10-20 кВ, а машины массового применения имеют напряжение 380 В, в то время как напряжение на линиях электропередачи достигает 1150 кВ. Поэтому между генераторами на электростанциях и потребителями в узлах нагрузки происходит дополнительное преобразование электрической энергии с целью повышения напряжения, а затем обратного его снижения. Такое преобразование осуществляется с помощью трансформаторов (Тр). В простейшем случае рассмотренный процесс преобразования энергии можно представить схемой, изображенной на рис. 1.1.

Наряду с большой энергетикой электрические машины получили широкое применение в системах автоматического управления и бытовой технике в качестве двигателей исполнительных механизмов либо различного рода электромеханических преобразователей и датчиков.



Во всех системах большой или малой мощности, где используются электрические машины, их рабочие свойства во многом определяют поведение и свойства этих систем. Поэтому знание основ теории электрических машин необходимо каждому специалисту, работающему в любой из сфер производства, распределения или потребления электрической энергии.

Данный курс лекций посвящается рассмотрению конструкции основных типов электрических машин, принципу их действия, анализу электромагнитных процессов, связанных с преобразованием энергии в электрической машине, расчету характеристик и режимов работы в различных условиях эксплуатации, а также методам испытаний и определения параметров электрических машин.

1.2.Физические законы электромеханического преобразования энергии




Любая электрическая машина представляет собой электромеханический преобразователь энергии. Она объединяет в себе электрическую и механическую системы. Связь между обеими системами в электрической машине осуществляется посредством магнитного поля (рис. 1.2).
Взаимодействие магнитного поля с электрической и механической системами проявляется, с одной стороны, в появлении ЭДС е в элементах электрической системы и, с другой стороны, в возникновении силы , действующей на элементы механической системы, что и обуславливает электромеханическое преобразование энергии. Процесс такого преобразования подчиняется закону сохранения энергии: изменение энергии, поступающей в электрическую машину со стороны электрической и механической систем, расходуется на изменение энергии магнитного поля и на покрытие потерь, сопровождающих основной процесс преобразования энергии.

Если все потери в электрической машине вынести во внешние цепи, то уравнение баланса полезного преобразования энергии будет иметь вид

. (1.1)

Знак «+» означает, что энергия поступает в электрическую машину из внешней системы, а знак «» - что энергия отдается электрической машиной во внешнюю систему.

Из этого уравнения следует, что процесс преобразования энергии в электрической машине сопровождается непрерывным изменением энергии магнитного поля. Причиной ее изменения является энергия, поступающая либо из электрической, либо из механической системы.

Если в переменное магнитное поле поместить проводящий контур, то в нем возникнет ЭДС

, (1.2)

где  - потокосцепление контура.

Это явление называется электромагнитной индукцией, а выражение (1.2) представляет собой закон электромагнитной индукции Фарадея. Знак «минус» в формуле для ЭДС е обусловлен инерционным характером магнитного поля: наведенная ЭДС всегда направлена так, что создаваемый ею ток препятствует изменению магнитного поля.

Величина потокосцепления одновиткового контура (рис. 1.3) определяется потоком Ф, пронизывающим площадь S, ограниченную контуром
, (1.3)
где В - магнитная индукция; - длина активной части контура; x - смещение плоскости контура относительно оси магнитного поля.



Возможны три случая изменения потокосцепления этого контура:

Поэтому потокосцепление  является функцией пространственной координаты x и времени t ,

.

Следовательно,

.

Подставляя это выражение в (1.2), получим

, (1.4)

где - скорость пересечения контуром силовых линий поля.

Согласно (1.4) ЭДС е можно представить в виде двух составляющих: трансформаторной ЭДС и ЭДС вращения . С учетом выражения для потокосцепления ЭДС вращения может быть записана в виде

. (1.5)

Обычно знак «» в выражении (1.5) опускают, а направление ЭДС определяют правилом правой руки: если правую руку расположить так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отогнутый большой палец направить в сторону перемещения проводника относительно поля, то четыре пальца покажут направление ЭДС. Наличие ЭДС вращения в замкнутом контуре всегда связано с обменом энергией между механической и электрической системами. Существование лишь трансформаторной ЭДС указывает на то, что обмена энергией между механической и электрической системами не происходит.

Если контур (рис. 1.3) подключить к электрической системе с напряжением u, то по нему потечет ток, величина которого, согласно закону Ома, определяется выражением

, (1.6)

где R - активное сопротивление контура.

Ток создает свое магнитное поле (рис. 1.4). Результирующее магнитное поле вокруг проводника искажается: с одной стороны проводника поле усиливается, а с другой - ослабляется. Это приводит к появлению силы, действующей в направлении максимального ослабления поля. Практически направление силы определяется правилом левой руки: силовые линии поля входят в ладонь, четыре пальца показывают направление тока, а отогнутый большой палец показывает направление силы. Поскольку в контуре (рис. 1.5) ток по отношению к внешнему полю протекает в разных направлениях, то на контур будет действовать момент



,

где D - диаметр окружности, вписанной в контур;  - угол, определяющий положение контура в магнитном поле.

Если связать контур еще и с механической системой, то можно осуществить передачу энергии в эту систему из электрической системы или наоборот преобразовать механическую энергию в электрическую.

Без учета потерь величина изменения энергии электрической системы определяется выражением

.

Соответствующее ей изменение энергии механической системы определяется произведением силы на приращение координаты

.

Закон сохранения энергии (1.1) требует, чтобы суммарное изменение энергии равнялось изменению энергии магнитного поля

. (1.7)

Запасенная энергия магнитного поля контура выражается формулой

,

где - индуктивность контура.

Отсюда, учитывая, что ток i задан, получаем

.

Подставляя это выражение в уравнение (1.7) и решая его относительно силы , находим

,

или, с учетом (1.3),

. (1.8)

Соотношение (1.8) определяет взаимодействие магнитного поля с током электрического контура, помещенного в это поле. Данное взаимодействие проявляется в возникновении силы, действующей на контур. Величина силы пропорциональна магнитной индукции В, току контура i и его активной длине .

1.3.Основные электромагнитные схемы электрических машин




Электромагнитные схемы электрических машин различаются способом изменения магнитного поля. Простейшей схемой является схема однофазного трансформатора (рис. 1.6). Она состоит из двух обмоток (многовитковых контуров), размещенных для лучшей магнитной связи на замкнутом магнитопроводе, выполненном из тонких листов электротехнической стали.

Если обмотку 1 включить на источник переменного тока с напряжением , то в стальном сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, и в соответствии с законом электромагнитной индукции в обмотках появляется ЭДС

и .

ЭДС можно использовать как источник нового напряжения . Если , то трансформатор называется повышающим, в противном случае - понижающим.

В энергетике широкое распространение получила система трехфазного тока. Для его трансформирования применяют трехфазные трансформаторы. Конструктивно трехфазные трансформаторы выполняются в виде трех отдельных трансформаторов (рис. 1.7, а), либо все три трансформатора объединяются в один (рис. 1.7, б). Конструкция (рис. 1.7, б) имеет лучшие массо-габаритные показатели, но в ней магнитные процессы отдельных фаз влияют друг на друга, что необходимо учитывать при проектировании.

Особенностью электромагнитных процессов в трансформаторе является то, что магнитное поле трансформатора меняется во времени, но его положение в пространстве остается неизменным. Однако если трехфазную обмотку расположить в пространстве так, чтобы магнитные оси фаз были сдвинуты по отношению друг к другу на 120 (рис. 1.8), и подключить ее к источнику переменного трехфазного тока, то ось результирующего магнитного поля такой системы обмоток будет перемещаться в направлении чередования фаз.

За один период изменения тока поле совершает один оборот. Если обозначить число оборотов магнитного поля в минуту через , то

, (1.9)

где - частота переменного тока.

Соотношение (1.9) справедливо для двухполюсного магнитного поля. При большем числе полюсов период магнитного поля снижается и, следовательно, уменьшается частота вращения поля

, (1.10)



где р - число пар полюсов магнитного поля, создаваемого трехфазной обмоткой.










Рассмотренный принцип образования вращающегося магнитного поля используется во всех электрических машинах переменного тока. Наиболее распространенной является трехфазная асинхронная машина (рис. 1.9). Ее магнитная система выполнена в виде двух концентрических цилиндров. Внутренний цилиндр укреплен на валу и называется ротором. Внешний цилиндр неподвижен и называется статором.

На внутренней поверхности статора в специальных пазах укладывается трехфазная обмотка, создающая вращающееся магнитное поле. На схеме такая обмотка изображается сосредоточенной в виде трех катушек, расположенных по магнитным осям соответствующих фаз. Обмотка ротора обычно выполняется короткозамкнутой в форме беличьей клетки. Воздушный зазор между статором и ротором для получения лучшей магнитной связи между обмотками выполняется минимальным.

При вращении магнитного поля в обмотке ротора наводится ЭДС и возникает ток . ЭДС в зоне действия северного полюса будет направлена от нас, а южного - к нам. Направление тока для простоты примем совпадающим с ЭДС . Взаимодействие тока с потоком Ф приведет к появлению силы , которая будет действовать на каждый проводник обмотки ротора. Эти силы создадут вращающий момент , и ротор начнет вращаться в ту же сторону, что и поле статора. Но достичь частоты вращения поля статора ротор не сможет, так как в этом случае ЭДС становится равной нулю, и электромагнитный момент исчезает. Относительная разность частот ротора и поля статора называется скольжением,

.

Величина скольжения определяется внешним моментом на валу асинхронной машины. С увеличением момента скольжение возрастает. Если внешний момент будет действовать в направлении вращения, то частота вращения ротора превысит , скольжение станет отрицательным, и асинхронная машина перейдет из двигательного режима в генераторный. В этом состоит суть принципа обратимости вращающихся электрических машин. Зависимость частоты вращения ротора от величины момента является отличительным признаком асинхронной машины. Скольжение определяет частоту ЭДС и тока в роторе:

.

Если обмотку ротора подключить к источнику переменного тока частоты , то частота вращения ротора не будет зависеть от нагрузки:

.



Электрическая машина, частота вращения которой находится в строгом соответствии с частотой источника питания, называется синхронной. Преимущественное распространение получили синхронные машины, у которых обмотка ротора включается на постоянное напряжение . В этом случае частота вращения ротора равна частоте вращения поля статора:

.

Электромагнитная схема такой синхронной машины имеет вид, представленный на рис. 1.10. Обмотку ротора, питаемую постоянным током, называют обмоткой возбуждения. Питание подается от внешнего источника (возбудителя) через контактные кольца и щетки.

Если ротор такой машины привести во вращение, то магнитное поле , создаваемое обмоткой возбуждения, будет вращаться вместе с ротором и наводить в обмотке статора ЭДС. При включении нагрузки по обмотке статора потечет ток частоты , и синхронная машина будет работать в режиме генератора. Взаимодействие этого тока с полем приведет к возникновению момента , который будет действовать на проводники обмотки статора в направлении вращения поля, как и в асинхронном двигателе. Этот же момент передается на ротор, действуя против направления вращения (рис. 1.11, а) и вызывая торможение ротора. Для поддержания постоянства частоты потребуется увеличение внешнего момента .



Направление электромагнитного момента меняется, если изменить направление тока статора (рис. 1.11, б). Это можно сделать с помощью постороннего источника переменного тока. Тогда электрическая энергия этого источника преобразуется в механическую, и синхронная машина будет работать в режиме двигателя.



Рассмотренные нами электрические машины относятся к классу машин переменного тока. Наряду с ними существуют и машины постоянного тока. Электромагнитную схему машины постоянного тока можно получить из схемы синхронной машины, если в обмотку статора ввести механический выпрямитель - коллектор и расположить его вместе с обмоткой статора на вращающейся части, а обмотку возбуждения на неподвижной части (рис. 1.12). В этом случае вращающуюся часть называют якорем, а не-подвижную - индуктором. Рассмотрим простейший случай, когда обмотка якоря представлена одним витком. Концы обмотки подсоединяются к двум коллекторным пластинам, выполненным в виде полуколец. На коллекторные пластины устанавливаются щетки, через которые обмотка якоря связывается с внешней цепью.



Обмотка возбуждения создает неподвижное в пространстве магнитное поле. При вращении якоря его обмотка будет пересекать радиальную составляющую этого поля и в ней будет наводиться ЭДС вращения

,

где - линейная скорость на поверхности якоря; n - частота вращения якоря; D - диаметр якоря; - активная длина якоря; - радиальная составляющая магнитной индукции в воздушном зазоре.

Радиальная составляющая магнитной индукции имеет максимальное значение под серединой полюса и равна нулю на линии, проходящей строго по середине между полюсами (рис. 1.13). Эта линия называется геометрической нейтралью. Знак индукции примем положительным, если силовые линии выходят из якоря, и отрицательным - если входят в якорь.

Из выражения для ЭДС следует, что при постоянной частоте вращения якоря характер изменения ЭДС во времени будет повторять характер распределения индукции вдоль пространственной координаты х. При прохождении обмотки якоря через геометрическую нейтраль одновременно с изменением направления ЭДС в ней происходит и смена коллекторных пластин под щетками. Поэтому под правой щеткой всегда будет находиться пластина, соединенная с проводником, расположенным под северным полюсом, а под левой щеткой - с проводником, расположенным под южным полюсом. В результате полярность щеток остается неизменной:

.

В реальных машинах постоянного тока для уменьшения пульсаций выпрямленной ЭДС увеличивают число проводников и коллекторных пластин (рис. 1.14).

В этом случае между щетками действует ЭДС Е, равная сумме мгновенных значений ЭДС каждого проводника, находящегося под одним полюсом:

.

Машина постоянного тока также обладает свойством обратимости. В режиме генератора ток якоря I и ЭДС Е совпадают по направлению, а электромагнитный момент, как нетрудно убедиться из рис. 1.14, будет действовать против направления вращения якоря. Для того чтобы перевести машину постоянного тока в двигательный режим, необходимо изменить направление тока в якоре при прочих равных условиях. Для этого машину постоянного тока включают на источник постоянного тока с напряжением, превышающим ЭДС якоря. Изменение направления тока якоря приводит к изменению направления электромагнитного момента. Он становится положительным (действует в направлении вращения якоря), и машина постоянного тока переходит в режим двигателя.



Краткое рассмотрение электромагнитных схем показывает, что все электрические машины имеют много общих черт. При определенных условиях электромагнитная схема одной машины переходит в другую. Однако несмотря на принципиальную общность электромагнитных схем каждая из машин имеет свои индивидуальные электромагнитные и конструктивные особенности, без учета которых невозможно создать надежные и экономичные электрические машины и обеспечить эффективную их работу в эксплуатации.

Изучению этих вопросов и посвящаются следующие разделы курса.






1.ВВЕДЕНИЕ 1.1.Назначение и область применения электрических машин
Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации