ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ - Лекции
.pdf
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ИВАНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРЕТИЧЕЧСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В. И. Ленина»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Составил - к.т.н., профессор Шишкин В.П.
ИВАНОВО – 2008
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Конспект включает 23 лекции, которые автор читает студентам специальности 200400 «Промышленная электроника» и бакалаврам направления 550200 «Автоматизация и управление».
Порядок изложения материала в основном подобен порядку, принятому в большинстве учебников по электрическим машинам. Рассматриваются основные виды электрических машин общепромышленного применения и микромашин систем автоматики. В каждом типе машин достаточно подробно разбирается принцип действия, основные характеристики и особенности их конструкции. В конце лекции предлагается ряд вопросов или задач для закрепления материала, которые ставят целью более вдумчивое прочтение материала, дополнительное размышление над ним. Справа от основного текста предусмотрены относительно большие поля, на которых можно делать различные пометки и комментарии.
ЛИТЕРАТУРА
1.В.Я. Беспалов. Электрические машины (учебное пособие для вузов)- М: Академия
2006.
2.Брускин Д.Э, Зорохович А.Е., Хвостов В.С. Электрические машины и микромашины. Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 1990. - 572 с.
3.Электрические машины (учебник для бакалавров) под ред. Копылова И.П. М.: Издательство Юрайт, 2012
4.Кулик Ю.А. Электрические машины. – М.: Высшая школа, 1971. – 453 с.
5.Шишкин В.П. Сборник вопросов и задач по электрическим мшинам и микромашинам /Уч. пособие, Иваново, 2007 г.
6.Шишкин В.П. Испытание машин постоянного тока и трансформатора / Метод. указания к лаб. раб. , ИГЭУ, 2012. (№1059)
7.Шишкин В.П. Испытание электрических машин малой мощности общего и специального применения / Метод.указ. к лаб.раб. ИГЭУ, 2013. (№2084)
3
СОДЕРЖАНИЕ
Лекция 1 ВВЕДЕНИЕ. § В.1. Основные законы и мнемонические правила, используемые в электрических машинах. § В.2. Номинальные данные электрических машин. § В.3. Общие понятия о конструкциях электрических машин. § В.4. Потери мощности в электрических машинах
Лекция 2 Раздел первый МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. § 1.1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока. § 1.2. Основные сведения об обмотках якоря машин постоянного тока. § 1.3. Реакция якоря в машинах постоянного тока.
Лекция 3 § 1.4. Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока. § 1.5. Коммутация. § 1.6. Уравнения напряжения и уравнения моментов машин постоянного тока. § 1.7. Условие статической устойчивости.
Лекция 4 § 1.8. Способы возбуждения машин постоянного тока. § 1.9. Самовозбуждение генераторов постоянного тока. § 1.10. ГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА. Генератор с независимым возбуждением. Генератор с параллельным возбуждением. Генератор с последовательным возбуждением. Генератор смешанного возбуждения. § 1.11. Принцип обратимости машин постоянного тока.
Лекция 5 § 1.12. ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГ ТОКА. § 1.13. Рабочие характеристики двигателей постоянного тока. Двигатель параллельного возбуждения. Двигатель последовательного возбуждения. Двигатель смешанного возбуждения. § 1.14. Механические характеристики двигателей постоянного тока. Двигатель параллельного возбуждения. Двигатель последовательного возбуждения. § 1.15. Тормозные характеристики двигателей постоянного тока. Генераторное (рекуперативное) торможение. Торможение проивовключением. Динамическое торможение.
Лекция 6 § 1.16. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока. Включение реостата в цепь якоря. Изменение магнитного потока. Изменение напряжения на зажимах якоря. Импульсное регулирование частоты вращения. § 1.17. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КОЛЛЕКТОРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ.
Лекция 7 § 1.18. БЕСКОНТАКТНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. § 1.19. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА. § 1.20. Якорное управление исполнительным двигателем. § 1.21. Полюсное управление исполнительным двигателем.
Лекция 8 § 1.22. Конструкции исполнительных двигателей постоянного тока. § 1.23. ТАХОГЕНЕРАТОРЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
Лекция 9 Раздел второй ТРАНСФОРМАТОРЫ. § 2.1. Конструкция и принцип действия трансформаторов. § 2.2. Намагничивающий ток трансформатора. § 2.3. Приведенный трансформатор. § 2.4. Векторная диаграмма приведенного трансформатора. § 2.5. Схема замещения приведенного трансформатора.
Лекция 10 § 2.6. Холостой ход трансформатора. § 2.7. Короткое замыкание трансформатора. § 2.8. Изменение вторичного напряжения и внешние характеристики трансформатора. § 2.9. Потери и КПД трансформатора.
4
Лекция 11 § 2.10. ТРЕХФАЗНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. § 2.11. Параллельная работа трансформаторов. § 2.12. Регулирование напряжения в трансформаторах. § 2.13. Понятия о переходных процессах в трансформаторах. Процессы при включении трансформатора. Процессы при коротком замыкании вторичной обмотки трансформатора.
Лекция 12 § 2.14. СПЕЦИАЛЬНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. § 2.14.1. Многообмоточные трансформаторы. § 2.14.2. Сварочные трансформаторы. § 2.14.3. Автотрансформатор. § 2.14.4. Импульсные трансформаторы. § 2.14.5. Пиктрансформатор. § 2.14.6. Высокочастотные трансформаторы. § 2.14.7. Стабилизирующие трансформаторы. § 2.14.8. Измерительные трансформаторы.
Лекция 13 Раздел третий ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. § 3.1. Общие сведения. § 3.2. Магнитодвижущие силы (МДС) обмоток переменного тока. § 3.3. Создание вращающегося магнитного поля.
Лекция 14 Раздел четвертый АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. § 4.1. Конструкция асинхронного двигателя. § 4.2. Принцип действия асинхронной машины. § 4.3. Асинхронная машина при заторможенном роторе. Фазорегулятор. Индукционный регулятор.
Лекция 15 § 4.4. Асинхронная машина при вращающемся роторе. § 4.5. Основные уравнения, векторная диаграмма и схемы замещения асинхронного двигателя. §
4.6.Энергетическая диаграмма. Вращающий момент асинхронного двигателя. §
4.7.Механические характеристики асинхронного двигателя.
Лекция 16 § 4.8. Рабочие характеристики асинхронного двигателя. § 4.9. Пуск асинхронного двигателя. § 4.10. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей. § 4.11. Работа асинхронного двигателя при несинусоидальном напряжении.
Лекция 17 § 4.12. Работа асинхронного двигателя при неноминальных условиях. Работа асинхронного двигателя при неноминальном напряжении. Работа асинхронного двигателя при неноминальной частоте. Работа асинхронного двигателя при несимметричном напряжении сети. Обрыв фазы обмотки статора. § 4.13. ОДНОФАЗНЫЕ И ДВУХФАЗНЫЕ АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Асинхронный двигатель с пусковым конденсатором. Асинхронный двигатель с рабочим конденсатором. Асинхронный двигатель с пусковым и рабочим конденсатором. Асинхронный двигатель с пусковым сопротивлением. § 4.14. Асинхронный двигатель с экранированными полюсами.
Лекция 18 § 4.15. АСИНХРОННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ.
Лекция 19 § 4.16. АСИНХРОННЫЙ ТАХОГЕНЕРАТОР. § 4.17. Акселерометр. § 4.17. ПОВОРОТНЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ. Синусно-косинусные поворотные трансформаторы. Линейный поворотный трансформатор.
Лекция 20 § 4.18. ИНДУКЦИОННЫЕ МАШИНЫ СИСТЕМ СИНХРОННОЙ СВЯЗИ – СЕЛЬСИНЫ. Работа сельсинов в индикаторном режиме. Работа сельсинов в трансформаторном режиме. Раздел пятый СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ. § 5.1. Принцип действия синхронной машины. Режим генератора. Режим двигателя. § 5.2. Реакция якоря. § 5.3. Метод двух реакций.
Лекция 21 § 5.4. Уравнения напряжения. Векторные диаграммы синхронных машин. § 5.5. Характеристики синхронных генераторов. § 5.6. Синхронный тахогенератор. § 5.7. Электромагнитная мощность и вращающий момент синхронных двигателей. § 5.8. Рабочие характеристики синхронных двигателей. § 5.9. U- образные характеристики синхронных двигателей. § 5.10. Пуск синхронного двигателя.
5
Лекция 22 § 5.11. СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ. Синхронные двигатели с постоянными магнитами. Синхронные реактивные двигатели. Синхронные гистерезисные двигатели.
Лекция 23 § 5.12. Шаговые двигатели.
6
ЛЕКЦИЯ 1
ВВЕДЕНИЕ
Электрические машины являются электромеханическими преобразователями энергии. Различают: электрические генераторы, электрические двигатели и трансформаторы.
Электрические генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Они используются на электрических станциях, где приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, а также на транспортных устройствах (автомобилях, самолетах, кораблях и т.д.), в которых получают вращение от двигателей внутреннего сгорания или от газовых турбин.
Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую, приводя во вращение самые разнообразные машины, механизмы и устройства в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте, в военном деле и быту.
Трансформаторы применяют для преобразования напряжения в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, в устройствах связи, автоматики, вычислительной техники. С точки зрения преобразования энергии, трансформаторы трудно назвать электрическими машинами, но процессы, происходящие в них, очень похожи на те, которые имеют место быть в асинхронных машинах. Поэтому их традиционно рассматривают в курсе электрических машин
Особую группу составляют электрические микромашины систем автоматики, где они преобразую одну величину в другую, например, электрические импульсы напряжения в дискретные угловые или линейные перемещения (шаговые двигатели), электрические сигналы в механическое вращение (исполнительные двигатели) и наоборот – механическое вращение в электрический сигнал (тахогенераторы). Они преобразуют угол поворота в напряжение, пропорциональное самому углу или какой-то его функции (поворотные трансформаторы), передают на расстояния угловые перемещения двух и более осей, механически не связанных друг с другом (сельсины).
Словом, электрические машины широко применяют во всех отраслях народного хозяйства. Их главные преимущества по сравнению с другими преобразователями энергии – высокий КПД, достигающий в крупных машинах 95 ÷ 99%, сравнительно малые масса и габариты. Они отличаются высокой надежностью и долговечностью, простотой управления и обслуживания, удобствами подвода и отбора мощности, небольшой стоимостью при массовом и крупносерийном производстве.
По роду тока электрические машины можно классифицировать на машины
постоянного и переменного тока. По мощности – на микромашины (порядка десятков Ватт), машины малой мощности (примерно до 10 кВт), машины средней мощности (до сотен кВт) и машины большой мощности (более сотен кВт). По частоте вращения их можно поделить на тихоходные (до 300 об/мин), средней быстроходности (до 1500 об/мин), быстроходные (до 6000 об/мин) и
сверхбыстроходные (свыше 6000 об/мин). Микромашины выполняют на частоты вращения от нескольких оборотов в минуту до 40 и выше тысяч об/мин.
§ В.1. Основные законы и мнемонические правила, используемые в электрических машинах
Принцип работы подавляющего большинства электрических машин основан на двух законах электромагнетизма: законе Фарадея и законе Ампера.
7
Закон Фарадея утверждает, что при изменении потокосцепления какоголибо контура в нем возникает ЭДС. При этом потокосцепление может изменяться как вследствие изменения магнитного потока во времени t, так и вследствие перемещения контура в пространстве по координате х. Для единичного контура ( = Ф) закон Фарадея принимает вид
|
|
dФ( x,t ) |
|
Ф |
|
|
Ф |
|
||
|
|
|
|
|
|
(В.1) |
||||
e |
|
|
|
|
|
x |
|
t |
. |
|
|
|
dt |
|
x |
|
|
|
|
||
Первое слагаемое этого уравнения |
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
e |
|
x |
x |
|
|
|
|
(В.2) |
определяет электродвижущую силу, индуцированную в проводнике, движущемся |
||||
|
|
|
|
|
со скоростью v |
B (Тл). |
|||
x (м/с) в постоянном магнитном поле с индукцией |
||||
Эту ЭДС называют ЭДС движения. |
|
|||
|
Если предположить, что в пределах длины проводника l поле однородно |
|||
|
|
|
||
( B const ), (В.2) |
можно придать вид |
|
||
|
|
ˆ |
(В.3) |
|
|
|
e Blv sin(B v). |
||
|
В большинстве электрических машин проводник движется перпендикулярно |
|||
вектору магнитной индукции sin(Bˆv) 1 , поэтому |
|
|||
|
|
e Blv. |
(В.4) |
|
Направление ЭДС движения определяют по правилу правой руки:
Если ладонь расположить к северному полюсу, большой палец направить по направлению движения проводника, то вытянутые четыре пальца укажут направление ЭДС.
В тех случаях, когда движется магнитное поле относительно неподвижного проводника, следует воспользоваться принципом относительности, ибо по правилу правой руки большой палец всегда направляют по направлению движения проводника.
Второе слагаемое в (В.1) описывает процесс в неподвижном контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур, и определяет
трансформаторную ЭДС (ее называют ЭДС индукции)
Ф |
|
dФ |
(В.5) |
|
e t |
|
|
. |
|
dt |
|
|||
ЭДС индукции возникает и в замкнутых контура, и в разомкнутых контурах, а также в сплошных металлических телах, где она образует вихревые токи.
Знак минус в (В.1) отражает правило Ленца. Применительно к ЭДС движения оно заключается в следующем
ЭДС имеет такое направление, при котором ток от этой ЭДС, взаимодействую с магнитным потоком, создает силу, препятствующую движению проводника.
Применительно к трансформаторной ЭДС
8
ЭДС, индуцированная в проводнике, имеет такое направление, при котором магнитный поток, созданный током этой ЭДС, устраняет причину, вызвавшую данную ЭДС.
По закону Ампера на элемент проводника с током, помещенный в магнитное поле, действует механическая сила, выталкивающая проводник из поля
|
|
|
dF |
JdS dl B , |
(В.6) |
где J - плотность тока, А/м2; dS - элемент площади поперечного сечения проводника, м2
При равномерном распределении тока по линейному проводнику механическая сила, действующая на весь проводник
|
|
|
F |
I l B . |
(В.7) |
Модуль этой силы равен |
|
|
|
F BlI sin(Bˆl). |
(В.8) |
Если проводник и поле взаимно перпендикулярны, сила будет максимальной. В этом случае она равна (Н)
F BlI . |
(В.9) |
|
|
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки |
|
Если ладонь расположить к северному полюсу, четыре пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы.
а) |
|
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
е |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
Рис. В.1. Правило правой (а) и левой (б) руки
В магнитных цепях электрических машин всегда имеются ферромагнитные участки, для которых очень важной характеристикой служит зависимость индукции В от напряженности поля Н. В общем случае эта зависимость имеет вид петли гистерезиса и является нелинейной (рис. В.2,а)
B H , |
(В.10) |
где – магнитная проницаемость (Гн/м), которая в свою очередь зависит от Н
(А/м).
Для магнитомягких материалов (из них изготавливают сердечники электрических машин) петля гистерезиса настолько узкая, что ее часто заменяют
9
одной кривой. Для магнитотвердых материалов (из них изготавливают постоянные магниты) петля гистерезиса очень широкая.
а) |
В |
б) |
В |
в) В |
|
|
|
|
|
Н |
Н |
Н |
|
Рис.В.2. Зависимости В = f(H) для ферромагнитных материалов: а) – в общем случае, б) - для магнитомягких материалов, в) – для магнитотвердых материалов
Магнитной цепью называется замкнутый путь, по которому проходит магнитный поток. В основу расчетов магнитных цепей положен закон полного тока, согласно которого круговой интеграл магнитной напряженности по замкнутому контуру равен полному току в этом контуре
Hdl i. |
(В.11) |
В электрических машинах магнитная цепь состоит из нескольких относительно однородных участков, поэтому интеграл можно заменить суммой
Hdl H1l1 H2l2 ... Hnln . |
(В.12) |
Эту сумму часто называют «суммой падений магнитного напряжения» по аналогии с падением электрического напряжения в электрических цепях.
В подавляющем большинстве случаев полный ток контура равен намагничивающей силе (НС) или магнитодвижущей силе (МДС) катушки с числом витков w, по которым протекает ток i
i iw F.
Таким образом, закону полного тока можно придать вид
Hl F.
Для отдельного n-го участка магнитной цепи
|
|
|
|
Hnln Fn , |
|
|
||||
или |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
F |
Bn |
l |
|
|
Фn |
l |
|
Ф R |
|
, |
|
|
Sn n |
|
|
||||||
n |
n |
n |
|
|
n |
n |
мn |
|
||
(В.13)
(В.14) (В.15)
(В.16)
или |
Fn |
|
|
Фn |
, |
||
Rмn |
|||
|
(В.17) |
где; Bn и Фn – магнитная индукция в данном участке и магнитный поток, проходящий по нему; ln, Sn, n, Rмn – длина, сечение, магнитная проницаемость и магнитной сопротивление рассматриваемого участка.
10
Формулу (В.15) можно назвать законом Ома для магнитной цепи, ибо она подобна закону Ома для электрической цепи, поскольку есть полная аналогия между ЭДС и МДС, током и потоком, магнитным и электрическим сопротивлением.
§ В.2. Номинальные данные электрических машин
Каждую электрическую машину снабжают паспортной табличкой, на которой указывают ее номинальные данные – основные энергетические показатели и условия работы, на которые она рассчитана. К номинальным данным относятся: мощность, напряжение, ток, частота вращения, частота переменного тока, коэффициент мощности, КПД, число фаз и режим работы (длительный, кратковременный и т.п.).
Термин «номинальный» можно применять к величинам, не приведенным в паспортной табличке, но относящимся к номинальному режиму работы машины, например, номинальный момент, номинальное скольжение и т.д.
Из всех перечисленных величин особое значение имеет номинальная мощность – мощность, на которую рассчитана машина по условиям нагрева и безаварийной работы в течение длительного времени. В двигателях под номинальной мощностью понимают механическую мощность на валу, выраженную в ваттах или киловаттах (Вт или кВт), в генераторах – полезную электрическую мощность на зажимах машины. При этом в генераторах переменного тока и в трансформаторах – полную электрическую мощность на зажимах (в вольт-амперах или киловольт-амперах).
Разумеется, электрическая машина может работать и при неноминальных условиях (увеличенная или уменьшенная мощность, напряжение и ток, отличные от номинальных и т.п.). Однако при этом энергетические показатели будут отличаться от паспортных данных. Обычно при малых нагрузках КПД и коэффициент мощности меньше номинальных. Особую опасность представляет длительное превышение номинальной мощности, что может привести к чрезмерному повышению температуры машины, в первую очередь ее обмоток, к преждевременному выходу из строя изоляции обмоток и всей машины в целом.
Электрические машины обладают свойством обратимости, т.е. они могут работать и в генераторном, и в двигательном режимах. Однако выпускаемые промышленность электрические машины предназначены для работы в определенном режиме, что позволяет лучше приспособить машину к требованиям эксплуатации, не делая ее чрезмерно тяжелой и дорогой.
§ В.3. Общие понятия о конструкциях электрических машин
Электрическая машина имеет неподвижную и вращающуюся части – статор и ротор, разделенные небольшим воздушным зазором. Статор и ротор в общем случае состоят из сердечников и обмоток. Обмотка – это совокупность определенным образом соединенных проводников, предназначенных для создания или использования магнитного поля. Сердечники изготавливаются из специальной электротехнической стали, обладающей высокой магнитной проводимостью, что позволят в небольшом объеме сконцентрировать значительный запас магнитной энергии, необходимой для преобразования электрической энергии в механическую и наоборот.