Электрические машины , материал МДК 1.01 для студентов специальности 08.02.09

1.1 Цели и задачи дисциплины. Роль электрических машин и трансформаторов в производстве и потреблении электрической энергии.

          Электрические машины как источники и преобразователи энергии.

Введение

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.

За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности — микромашин мощностью от долей до нескольких сотен ватт. Такие электрические машины используют в устройствах автоматики и вычислительной техники.

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 электрическ их 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.

2. Электрические машины как источники и 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 электромагнитной индукции: если внешней силой Fвоздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. В.1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индукции В магнитного поля со скоростью u, 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; u — 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 элементарный генератор.

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

F_ЭМ = BlI. (В.2)

Направление силы F_ЭМможно 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_ЭМявляется тормозящей по отношению к движущей силе F.

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

Fu = F_ЭМu

Подставим в это выражение значение F_ЭМиз (В.2):

Fu = BlIu = 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 Fк проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение Uтак, 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 + I²r.

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

UI =BluI + I ²r,

или, согласно (В.2),

UI = F_ЭМ u + I ²r. (В.5)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_ЭМu), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элементарный 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 ротором. 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 обмоткой 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.

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 компенсаторами. Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называют индукционными регуляторами

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».

Курс «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.