Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Электрические машины. Автор неизвестен - файл 1.doc


Лекции - Электрические машины. Автор неизвестен
скачать (5873.5 kb.)

Доступные файлы (1):

1.doc5874kb.19.12.2011 10:21скачать

содержание
Загрузка...

1.doc

  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10
Реклама MarketGid:
Загрузка...
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 кBm энергии всех видов. Электрическая энергия среди них составляет наибольшую долю. Это обусловлено замечательными достоинствами электрической энергии перед другими видами энергий:

-она удобно передается на большие расстояния от мест производства к местам по­требления;

-сравнительно просто и экономично преобразуется в другие виды энергии;

-легко управляется.

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 генераторам, 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.



Рис.1.1

Данный курс лекций посвящаете» 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).



Рис1.2

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 fe, 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 (dWэл) и механической {dWMex) систем, расходу­ется на изменение энергии магнитного поля (dWмг) 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



где ψ - 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.



где В - магнитная индукция; ℓ - длина активной части контура; х - смешение плоскости кон­тура относительно сек магнитного поля.

Величина потокосцепления одновиткового контура (рис. 1.3) определяется потоком Ф, пронизывающим площадь S, ограниченную контуром


Возможны три случая изменения потокосцепления этого контура:

-контур неподвижен, поток меняется во времени;

-контур вращается, поток неизменен;

-контур вращается и поток изменяется во времени.

Поэтому потокосцепление ψ является функцией пространственной координаты х и времени t,



Следовательно,



Подставляя это выражение в (1.2), получим

(1.4)

- скорость пересечения контуром силовых линий поля

. Согласно (1.4) ЭДС е можно представить в виа двух составляющих: трансформаторной ЭДС

et= -∂ψ/∂t и ЭДС вращения еν= -∂ψ/∂x. 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 ругал: 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 eν в замкнутом контуре всегда связано с обменом энергией между механической и электрической системами. Существование лишь трансформаторной ЭДС е, указывает на то, что обмена энергией между механической и электрической системами не происходит.

Если контур (рис. 1.3) подключить к электрической системе с напряжением и, 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



Рис.1.4 рис.1.5
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; а - 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 /е на приращение координаты



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

(1.7)

Запасенная энергия магнитного поля контуре выражается формулой



- индуктивность контура

.

Отсюда, учитывая, что ток i задав, получаем



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



или, с учетом (1.3),


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 ℓ.
^ 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 (многовнтковых контуров), размещенных для лучшей маг­нитной связи на замкнутом магнитопроводе, выполненном из тонких листов электротехнической стали.



рис. 1.6

Если обмотку 1 включить на источник переменного то­ка с напряжением u1, то в стальном сердечнике возникнет переменный магнитный поток Ф, и в соответствии с законом



ЭДС е2 можно использовать как источник нового напряжения u2≈ -e2 Если ω21, то трансформатор называется повышающий, в противном случав - 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. 1.7а) либо все три трансформатора объединяются в один (рис 1.7б). Конструкция (рис1.7в) имеет лучшие массо-габарнтные 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. Однако если трехфазную обмотку расположить в пространстве так, чтобы магнитные оси фаз были сдвинуты по отношению друг ж другу на 120° (рис 1.8), и подключить ее к источнику переменного трехфазного тика, то ось результирующего магнитного поля та­кой системы обмоток будет перемещаться в направлении чередования фаз.

За один период изменения тока поле совершает одни оборот. Если обозначить число оборотов магнитного поля в минуту через n1, то

(1.9)

где f1 - 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.



Рис.1.7



Рис.1.8 рис.1.9

Рассмотренный принцип образования вращающегося магнитного поля используете* во всех электрических машинах переменного тока. Наиболее распространенной являете* 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 е2 и возникает ток i2. ЭДС e2 в зоне действия северного полюса будет направлена от нас, а южного - к вам. Направление тока »2 для простоты примем совпадающим с ЭДС е2. Взаимодействие тока i2 с потоком Ф приведет к появлению силы fe, которая будет действовать на каждый проводник обмотки ротора. Эти силы создадут вращающий момент Ме, 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 e2 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 n1, 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 f2, то часто­та вращения ротора не будет зависеть от нагрузки:




Рис.1.10

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 (f2 = 0). 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 Фf, создаваемое обмоткой возбуждения,

будет вращаться вместе с ротором и наводить в обмотке статора ЭДС. При включении нагрузки по обмотке статора потечет ток i1 частоты f1, и синхронная машина будет работать в режиме генератора. Взаимодействие этого тока с полем Фf приведет к возникновению момента Мe, 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.1.11а) и вызывая торможение ротора. Для поддержания постоянства частоты f1 потребуется увеличение внешнего момента Мвн.

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 рис.1.11

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 неподвижную - индуктором

Рис.1.12

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 V=πDn - линейная скорость на по­верхности якоря; n - частота вращения яко­ря; D - диаметр якоря; ℓ - активная длина якоря; Bδ - радиальная составляющая маг­нитной индукции в воздушном зазоре.

Радиальная составляющая магнитной индукции Bδ 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 рис.1.13

направления ЭДС в ней происходит в 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.



Рис1.14
2. Трансформаторы

2.1. Явления, связанные с образованием магнитного поля трансформатора на холостом ходу

Магнитное поле трансформатора в основном сосредоточено в стальном сердечнике. Процесс намагничивания сердечника сопровождается такими явлениями, как насыщение, гистерезис и вихревые токи. Эти явления могут оказывать заметное влияние на работу трансформатора, поэтому их необходимо учитывать при описании рабочих процессов в трансформаторе.
^ 2.1.1. Однофазный трансформатор

Рассмотрим режим холостого хода трансформатора (рис. 2.1). В этом режиме первич­ная обмотка включается в сеть на синусоидальное напряжение u1 =u1m. sinωt, а вторичная



обмотка разомкнута. Под действием приложен­ного напряжения по первичной обмотке потечет ток iμ. Этот ток называют током намагничива­ния, так как он создает в трансформаторе маг­нитный поток Ф. Магнитный поток наведет в обмотках трансформатора ЭДС е1 и е2

Применяя к первичной обмотке трансфор­матора второй закон Кирхгофа, получим

(2.1)

Из уравнения (2.1) следует, что при малом

Рис.2.1 активном сопротивлении r1 первичной обмотки трансформатора

напряжение сети u1 практически уравновешивается ЭДС e1:

(2.2)

Отсюда получаем выражение для потока:

(2.3)


Рис.2.2

т. е. при синусоидальном напряжении u1 поток тоже имеет синусоидальный характер измене­ния во времени, во отстает по фазе на 90o. Амплитуда потока Фm=um/w1ω- не зависит от свойств

стали, а определяется амплитудой приложенного напряжения, частотой сети и числом витков. С другой стороны, поток Ф является нелинейной функцией тока намагничивания iμ



Зависимость Ф(iμ) подобна кривой намагничивания В(Н) и изображается петлей, близкой к гистерезисной, но с несколько закругленными углами из-за влияния вихревых то­ков (рис. 2.2а).

Нетрудно видеть, что при синусоидальном потоке ток намагничивания насыщенного трансформатора является несинусоидальным (рис. 2.2б). Полный ток намагничивания обычно раскладывается на две составляющие:



Активная составляющая iμr имеет синусоидальный характер, находится в противофазе сЭДС е1 и определяет потери в стали,



Реактивная составляющая iμr является несинусоидальной, опережает ЭДС е1 на 90° и определяет магнитный поток в трансформаторе по основной магнитной характеристике трансформатора



(пунктирная кривая на рис. 2.2, а), Кривая iμк(t)

содержит весь спектр нечетных гармоник (рис. 2.26). Первая гар­моника частоты сети называется основной, а остальные - высшими. Из высших гармоник наиболее сильно выражена третья гармоника. Она может достигать 30% и более от основной.

^ 2.1.2. Трехфазный трансформатор

Пусть на холостом ходу к сети с синусоидальным напряжени­ем подключена первичная обмотка, соединенная треугольником, а вторичная обмотка, соединенная в звезду, разомкнута (рис. 2.3). Фазные напряжения первичной обмотки синусоидальны. Поэтому потоки каждой фазы также будут синусоидальными, а реактивные составляющие тока намагничивания будут содержать высшие не­четные гармоники.
Рис.2.3



Рис2.4



Гармоники, кратные трем (ν = 3,9,15...), совпадают по фазе. Поэтому в линейных проводах они будут отсутствовать, замыкаясь внутри треугольника.

Если трансформатор питать со стороны обмотки, вклю­ченной в звезду (рис. 2.4, а), то гармоники, кратные трем, в фазных проводниках будут отсутствовать в силу условия





2.4

При отсутствии наиболее значимых третьих гармоник ре­активные составляющие тока намагничивания можно полагать синусоидальными. Тогда, согласно рис. 2.4б, высшие гармо­ники появятся в фазных потоках:



Третьи гармоники потока Ф всех трех фаз первичной обмотки совпадают по фазе и будут индуцировать во вторичной обмотке три равные по величине и совпадающие по фазе ЭДС е3а, e 3b, e3c. Складываясь в контуре треугольника, эти ЭДС создадут ток i3Δ. Ток i создает свое магнитное поле ФзΔ. направленное навстречу полю первичной обмотки, и поток ФзΥ будет почти полно­стью скомпенсирован. Поэтому результирующие потоки фаз и соответствующие ЭДС будут практически синусоидальны. Это обстоятельство является существенным преимуществом трехфазных трансформаторов, у которых одна из обмоток соединена в треугольник. Конст­рукция магнитопровода в этом случае не оказывает влияния на форму потоков и токов на­магничивания.

При соединении обеих обмоток трансформатора в звезду гармонические составляющие токов намагничивания, кратные трем, существовать не могут ни в одной из обмоток. Следо­вательно, они появятся в потоках и вызовут искажения фазных ЭДС:



Величина гармоник фазных ЭДС может быть значительной, так как их амплитуда про­порциональна порядку гармоники. Однако в линейных ЭДС гармоники, кратные трем, будут отсутствовать. Величина потока третьей гармонической составляющей будет зависеть от конструкции магнитопровода. В групповой конструкции (рис. 1.7, а) поток третьей гармони­ки замыкается полностью по стальному сердечнику и может достигать больших значений. В трехстержневом магиитопроводе (рис. 1.7б) потоки Ф3 полностью по сердечнику замы­каться не могут в силу условия



Поэтому поток третьей гармоники замыкается по путям рассеяния. Ввиду большого магнитного сопротивления по этим путям поток Фз получается небольшим, но тем не менее он вызывает потери на вихревые токи в стенках бака и крепежных деталях, что снижает КПД увеличивает нагрев трансформатора. 3 связи с этим соединение обеих обмоток трансформа­тора в звезду для мощных трансформаторов, как правило, не применяется.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



Скачать файл (5873.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации