Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах и улицах «Добрая дорога детства» 2
Скачать 0.74 Mb.
|
Э Л Е К Т Р И Ч Е С К И Е М А Ш И Н Ы1.1. Законы электромагнитного поля. Действие электромеханических преобразователей, к которым относятся и электрические машины, основано на законах электромеханики. В свою очередь электромеханика опирается на законы и постулаты электромагнитного поля. Современная наука только подходит к созданию общей теории поля, которая должна включать и электромагнитное поле. Основные же законы электромагнитного поля, используемые в настоящее время, получены опытным путем в XIX веке Кулоном, Гауссом, Д.Максвеллом, М.Фарадеем. Однако, эти законы остались незыблемыми и в настоящее время, несмотря на новые открытия и углубление нашего знания о материальном мире. Электромагнитное поле едино, однако, в природе и веществах возникают ситуации, когда значение одной из сторон этого двуединого поля настолько невелико или не проявляет себя, что дает возможность говорить отдельно об электрическом поле и магнитном поле. Основные уравнения электромагнитного поля, рассматриваемые как опытные факты, применяются в электротехнике в качестве аксиом. Их четыре. 1. Постулат Максвелла, получен из опытного закона Кулона, который связывает электрическое поле с электрическими зарядами и телами:  ,где D – плотность силовых линий электрического поля ; D = 0E + P ; где P - электростатический момент(интенсивность поляризации). Из постулата следует, что источником электрического поля являются электрические заряды. 2. Принцип непрерывности магнитного потока, который гласит, что магнитных масс как источников линий магнитного поля, аналогичных электрическим зарядам не существует:  ,где B – плотность силовых линий магнитного поля B = 0 (H + J), J – магнитный момент (намагниченность вещества). 3. Закон электромагнитной индукции связывает изменяющееся магнитное поле с возникающем при этом электрическим полем:  или  Из этих формул следует, e – ЭДС(электродвижущая сила), наводимая в проводнике при пересечении им под прямым углом магнитных силовых линий пропорциональна интенсивности (плотности) магнитного потока и скорости движения проводника длиной l . Если проводник и магнитные линии имеют угол - не равный 90, то закон в общем виде будет: e = Blv sinα 4.Закон полного тока связывает движение электрически заряженных частиц, то есть изменяющееся электрическое поле с возникающем при этом магнитным полем:  , где  .Для катушек индуктивности, где имеют место токи проводимости, F МДС(магнитодвижущая сила) определяется по формуле: F = iw , где w – число витков катушки. Открытие последних двух законов позволили человечеству создать электрические машины и получить в достаточных количествах наиболее эффективную и экологически чистую электрическую энергию для применения её в быту и промышленности. 1.2. Электрические машины, как преобразователи энергии. Электромеханика является одним из разделов физики, где рассматривается электромеханическое преобразование энергии. Электрические машины – это техническое применение электромеханического преобразования энергии. Электромеханика является фундаментальной наукой, для которой могут быть сформулированы следующие три закона.
В сложных преобразователях энергия (ЭП) одного вида преобразуется в энергию двух видов. Электрические машины можно представить в виде, показанном на рис. 1.1.  Традиционные электрические машины преобразуют электрическую энергию в механическую и обратно при обязательном выделении тепловой энергии. Вместе с тем, разработанные в современной промышленности магнитогидродинамические машины МГД генераторы преобразуют тепловую энергию в электрическую при обязательном механическом перемещении плазмы – необходимое условие преобразования энергии. Наконец, если мы рассмотрим сердце живого существа, то известно, что оно преобразует тепловую энергию в механическую при сопровождении электрических импульсов. Продолжая классифицировать ЭП - традиционные электрические машины можно разделить на три класса:
В настоящем курсе электрических машин рассматриваются только индуктивные машины, которые нашли широкое промышленное примененение, так как только они способны концентрировать большие мощности в воздушном зазоре между перемещающимися частями машины. 1.3. Принцип действия простейшей индуктивной машины. Обратимость электрической машины. Индукция магнитного поля B величина векторная, поэтому ЭДС e = Blv так же имеет направление, которое определяется по правилу “правой руки”. Правило. Если расположить правую руку так, чтобы магнитные линии были направлены в ладонь, а большой палец указывал направление перемещения проводника в магнитном поле, то четыре пальца руки покажут направление индуктируемой ЭДС. С другой стороны, сила действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле, Fмех = Bli действует по направлению, которое определяется по правилу “левой руки”. Правило. Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии были направлены в ладонь, а четыре пальца руки указывали направление тока в проводнике, то большой палец покажет направление действия силы Fмех на проводник . Рассмотрим элементарную электрическую машину, представляющую собой проводник, размещенный в магнитном поле, показанную на рис.1.2. П  риложим к проводнику извне силу F, что вызовет перемещение его перпендикулярно вектору индукции B со скоростью v. В проводнике будет наводиться ЭДС: Е = B l v (1.1) Е Рис. 1.2сли этот проводник замкнуть на внешнее сопротивление по нему потечёт ток I (при равномерном движении он будет постоянным). Под действием тока вокруг проводника возникнет своё магнитное поле. Справа от проводника магнитные линии внешнего поля (N – S) и линии поля проводника будут складываться, а слева от проводника будут вычитаться. Линии внешнего поля будут искажаться и, стремясь вернуться в прежнее состояние, образуют электромагнитную силу Fэ: Fэ = B l I (1.2) При равномерном движении F = Fэ , а мощность будет F v = Fэ v. Подставив в последнее выражение значение силы Fэ (1.2) и используя выражение (1.1) получим : F v = B l I v = Е I (1.3) Полученное равенство показывает, что затраченная извне механическая мощность преобразуется в мощность электрического тока. Имеет место режим генератора . Обратно, если по проводнику пропустить ток, то по II закону Кирхгофа можно записать следующее уравнение U = E + I R . Отдаваемая мощность будет: U I = E I + I2R . Подставив в это выражение значение ЭДС (1.1) получим: U I = B l v I + I2 R . Сила Fэ (1.2), возникает при взаимодействии магнитного поля и проводника с током. Подставив её значение в последнее выражение окончательно получим : U I = Fэ v + I2 R (1.4) Из этого выражения следует, что мощность электрического тока преобразуется в механическую мощность. Второе слагаемое – это мощность электрического тока превращающая в тепло. Имеет место режим двигателя . 1.4 Классификация индуктивных электрических машин. Таким образом, чтобы создать индуктивную электрическую машину необходимо иметь две части: магнитную для образования магнитного поля и электрическую для получения ЭДС (иногда обе эти функции выполняет одна обмотка). Часть вращающейся машины, предназначенная для создания магнитного поля (на ней располагается обмотка возбуждения) называется индуктором. Другая часть машины, на которой находится обмотка, предназначенная для получения ЭДС, называется якорем. Магнитная и электрическая части машины в процессе работы должны иметь непрерывное изменение координат по отношению друг к другу, то есть магнитные силовые линии пересекать проводники якоря, чтобы в них по закону электромагнитной индукции наводилась ЭДС. Этот процесс изменения может быть осуществлён различными способами. В электрических машинах постоянного тока - магнитное поле неподвижно, индуктор размещён на статоре, а проводники перемещаются. Якорем является ротор. В синхронных электрических машинах – наоборот, проводники обмотки неподвижны, якорь размещён на статоре, а магнитное поле вращается. Индуктором является ротор. В асинхронных электрических машинах – вращаются и магнитное поле, и проводники с некоторым отставанием друг от друга так, чтобы обеспечить пересечение проводниками магнитных линий. Индуктор – статор, а якорь – ротор. В трансформаторах магнитное поле и проводники неподвижны в пространстве, а ЭДС индуктируется за счёт изменения магнитного поля во времени. ТРАНСФОРМАТОРЫ. Трансформатором называют электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанных обмотки, и, предназначенное для преобразования параметров электрической энергии: напряжения и тока. Потребность в повышении переменного напряжения вызвана необходимостью передачи электрической энергии на большие расстояния. Известно, что чем выше напряжение в линии электропередачи, тем меньше в ней электрический ток. Следовательно потери мощности в линии уменьшаются (ΔР = R∙I2). При передаче электрической энергии от электростанции к потребителям происходит многократное повышение и понижение (трансформирование) напряжения. Устройство и принцип действия трансформатора У  словное графическое обозначение трансформатора показано на рис. 1.1.Рис. 1.1. В простейшем случае на замкнутом ферромагнитном сердечнике расположены две обмотки. К одной обмотке, которая называется первичной, подводится электрическая энергия от источника питания (сеть, отдельный генератор). От другой, вторичной обмотки, энергия отводится к потребителю, т. е. к нагрузке. Все величины, относящиеся к этим обмоткам (ЭДС, токи, числа витков и т. д.), называются соответственно первичными или вторичными. Сердечник набирают из отдельных, изолированных друг от друга, тонких листов (0,27…0,35мм) электротехнической стали. Он предназначен для усиления магнитной связи между обмотками. Вертикальные участки магнитопровода, на которых размещаются обмотки, называются стержнями, а горизонтальные участки, объединяющие стержни, ярмами (верхнее и нижнее ярмо). Первичная и вторичная обмотки между собой электрически не связаны. Обмотку, имеющую большее число витков называют обмоткой высокого напряжения, а обмотку с меньшим числом витков - обмоткой низкого напряжения. Материалом обмоток служит медь (круглая, прямоугольная) или аллюминий. Если число витков вторичной обмотки меньше числа витков первичной (w2 < w1), то трансформатор является понижающим, если больше (w2 > w1) - повышающим.  Рис. 1.2. Принцип действия трансформатора основан на законе электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного напряжения в ней возникает ток, который создаёт в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток индуцирует ЭДС в обмотках: в первичной - ЭДС самоиндукции, во вторичной - ЭДС взаимной индукции. Холостой ход трансформатора. При холостом ходе вторичная обмотка трансформатора разомкнута и ток i2 = 0. Ток холостого хода i0, протекающий по первичной обмотке под действием напряжения u1, создает магнитодвижущую силу (МДС) F0= w1i0 и возбуждает в сердечнике переменный магнитный поток Ф. Этот поток пронизывает как первичную, так и вторичную обмотки, индуктируя в них ЭДС е1 и е2. Помимо основного потока в магнитопроводе ток i0 создает и поток рассеяния, магнитные линии которого показаны на рис. 1.2. Этот поток значительно меньше основного (на 3 - 4 порядка), сцеплен только с витками первичной обмотки и индуктирует в ней ЭДС рассеивания еσ1. Полагая, что основной поток Ф изменяется синусоидально, можно получить выражения для действующих значений ЭДС в обмотках Е1 = 4,44·f·w1·Фm;Е2 = 4,44·f·w2·Фm, где w1 и w2 - числа витков первичной и вторичной обмоток; Фm - амплитуда основного магнитного потока; f – частота переменного тока. Отношение действующих значений ЭДС или чисел витков определяет коэффициент трансформации  Поскольку при холостом ходе U20 = E2 и U1 ≈ E1 (E1 = 0.95…0.97U1), тогда  Уравнение электрического равновесия первичной обмотки для мгновенных значений (согласно второму закону Кирхгофа) имеет вид u1 + e1 + eσ1 = r1·i10. В комплексной форме U1 = - E1 + jx1·I10 + r1·I10, где r1, x1 - активное и индуктивное сопротивления первичной обмотки, Eσ1= -jx1·I10 - ЭДС рассеивания первичной обмотки. Напряжение на вторичной обмотке будет равно ЭДС, т. к. в таком режиме I2 = 0 U20 = E2. Режим нагрузки трансформатора. При подключении нагрузки к зажимам "а х" вторичной обмотки, рис. 1.2, в ней возникает ток i2, величина которого определяется сопротивлением нагрузки, а фаза - характером нагрузки (активная, индуктивная, емкостная). Во вторичной обмотке возникает МДС F2 = i2·w2, которая действует против МДС первичной обмотки F1 = i0·w1, что приводит к возникновению компенсационного тока iк. Тогда ток i1 = i0 + iк Результирующий магнитный поток создаётся намагничивающей силой, которая выражается как векторная сумма МДС первичной и вторичной обмоток F1 + F2 = I1w1 + I2w2. Всякое изменение тока нагрузки i2 принуждает изменяться ток первичной обмотки i1 настолько, чтобы общая МДС (F1 + F2) оставалась неизменной. Результирующий магнитный поток трансформатора остается всегда постоянным и от нагрузки не зависит. Положение о неизменности магнитного потока Фt = сonst. (при холостом ходе и при нагрузке), обусловленного неизменностью приложенного напряжения, позволяет составить равенство F0 = F1 + F2 i10w1 = i1w1 + i2w2. Тогда уравнение токов имеет вид  или  где ток первичной обмотки i1 имеет две составляющие  Составляющая i10 создаёт основной магнитный поток, а составляющая  компенсирует действие МДС вторичной обмотки на поток сердечника. Поэтому поток в сердечнике при любой нагрузке сохраняется таким же, как и при холостом ходе.Уравнение электрического равновесия для вторичной обмотки (согласно второму закону Кирхгофа) имеет вид u2 = e2 + eσ2 – r2·i2. где eσ2 - ЭДС от потока рассеяния вторичной обмотки Eσ2 = - jх2I2, где r2 , x2- активное и индуктивное сопротивления вторичной обмотки. В комплексной форме уравнение токов имеет вид I1 = I0 - I'2, где I'2 = I2 w2/ w1, а уравнения электрического равновесия обмоток U1 = - E1 + jx1·I1 + r1·I1 U2 = E2 - jx2·I2 - r2·I2. Полученные три уравнения являются основными уравнениями трансформатора. Они описывают любой режим работы трансформатора и по ним строят векторную диаграмму и схему замещения  Рис. 13 Ток холостого хода силовых трансформаторов измеряется в процентах от номинального тока первичной обмотки и составляет I0 = (0,5…8,0)% от I1Н. Режим короткого замыкания Следует различать режим короткого замыкания в эксплутационных условиях и опыт короткого замыкания. Первый представляет собой аварийный режим трансформатора. Опытом короткого замыкания называется испытание трансформатора, при котором вторичная обмотка замкнута накоротко, а на первичную подается пониженное напряжение. Такой режим создаётся, когда напряжение на первичной обмотке U1 плавно (с помощью регулировочного устройства) увеличивают от нуля до такого значения U1 = Uк, при котором токи в обмотках (токи короткого замыкания) становятся равными номинальным значениям. Напряжение Uк называют напряжением короткого замыкания и выражают в процентах от номинального U1Н. В современных силовых трансформаторах uк = (5…15)%. Вследствие малости прикладываемого напряжения uk к первичной обмотке, основной магнитный поток в сердечнике настолько незначителен, что им пренебрегают. Следовательно, и ток i10, который создаёт магнитный поток, мал и им тоже пренебрегают. МДС, создаваемые первичной и вторичной обмотками, равны и сдвинуты по фазе на 1800. i10w1 = i1w1 + i2w2 ≈ 0, тогда i1w1 = - i2w2. Уравнения электрического равновесия обмоток в комплексной форме имеют вид U1K = - Eσ1 + r1I1K U2K = 0 = Eσ2 - r2I2K, где I1K, I2K - токи короткого замыкания. Зависимость U2 = f (I2) или U2 = f (β), ( β = I1/ I2 ) называют внешней характеристикой трансформатора. Коэффициент β называется коэффициентом загрузки трансформатора, где I2 – ток вторичной обмотки трансформатора; I2Н – номинальный ток вторичной обмотки. Графически эта зависимость приведена на рис.1.4.  Рис. 1.4 - Внешняя характеристика При колебаниях нагрузки от I2 = 0 до I2 = I2Н напряжение на выходе трансформатора изменяется лишь на несколько процентов  где ΔU - изменение напряжения на вторичной обмотке, которое определяется величиной и характером нагрузки; U20 – напряжение на зажимах вторичной обмотки трансформатора в режиме холостого хода; U2 – напряжение на зажимах вторичной обмотки в режиме нагрузки. Отклонение напряжения на приёмнике энергии от номинального неблагоприятно отражается на его работе. Стандартами допускается отклонение напряжения от номинального на ± 5%. Потри энергии и КПД. Передача электрической энергии из первичной обмотки во вторичную сопровождается потерями энергии в обмотках и сердечнике трансформатора. На рис. 1.5, а приведена энергетическая диаграмма активной мощности трансформатора, на которой: Р1 - мощность потребляемая трансформатором из сети; Р2 - мощность, отдаваемая трансформатором нагрузке; рЭЛ.1 - мощность потерь энергии на активном сопротивлении первичной обмотки; рЭЛ.2 - мощность потерь энергии во вторичной обмотке; рСТ - мощность потерь энергии в стали сердечника (потери на гистерезис и вихревые токи); РЭМ – электромагнитная мощность, передаваемая из первичной обмотки во вторичную посредством магнитного поля.  Рис.1.5 - Энергетическая диаграмма (а), КПД (б) Электрические потери определяются величиной активного сопротивления и квадрата тока соответствующей обмотки. Потери в магнитопроводе зависят от марки стали, частоты сети, магнитной индукции в сердечнике трансформатора. В паспорте трансформатора приводится мощность потерь холостого хода Р0 и короткого замыкания РК, которые приблизительно равны (при номинальной нагрузке) Р0 = рст РК = рЭЛ.1 + рЭЛ.2. Для расчёта КПД удобно пользоваться выражением  где SH - номинальная мощность трансформатора в кВА, РК и Р0 в кВт. Задаваясь значениями β = от 0 до 1 (от холостого хода до номинальной нагрузки), строят графическую зависимость η = f(β), рис. 1.5, б. КПД силовых трансформаторов достигает максимального значения при коэффициенте загрузки βmax, когда потри в стали равны потерям в обмотках трансформатора. КПД современных силовых трансформаторов находится в пределах 0,95…0,99. МАШИНЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. I. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА. Электрические машины переменного тока подразделяются на две большие группы: синхронные и асинхронные (бес коллекторные и коллекторные). Несмотря на различие конструктивного исполнения и принципа действия, в основе их теории лежит ряд общих положений:
Во избежание повторений принято рассматривать эти общие вопросы в начале курса, а затем изучить особенности тех и других машин. Коллекторные машины переменного тока рассматриваются отдельно. Действие многофазных машин переменного тока основано на принципе вращающегося магнитного поля, образованного синусоидальным переменным током. В синхронных машинах ротор вращается с такой же скоростью и в том же направлении, как и вращающееся магнитное поле. То есть вращение ротора происходит синхронно с вращающемся магнитным полем, что и определяет название машин. В асинхронных машинах ротор вращается с некоторой более низкой скоростью, по отношению к вращающемуся магнитному полю или асинхронно, чем и обусловлено название этих машин. Коллекторные машины переменного тока также вращаются асинхронно с магнитным полем, и в этом смысле они являются асинхронными. Однако, ввиду наличия коллектора и связанных с ним особенностей они выделены в отдельный вид машин переменного тока. 1.2.Основные принципы выполнения многофазных обмоток машин переменного тока О  Рис 1.1 Виток обмотки бмотки машин переменного тока должны выполнять одновременно две функции: индуктировать ЭДС, требуемую для работы машины, и возбуждать в воздушном зазоре магнитное поле, необходимое для преобразования энергии. В электрических машинах менного тока обмотки размещаются в пазах, расположенных на внешней поверхности ротора и внутренней поверхности статора. Основным элементом обмотки является виток, состоящий из двух последовательно соединенных проводников 1,2 (Рис 1.1), расположенных на расстоянии y – шаг обмотки, который измеряется в пазах.  (1.1)где t - полюсная дуга (расстояние между осями двух соседних полюсов), Z – число пазов на окружности статора, P – число пар полюсов, e - укорочение (удлинение) шага. Группа витков соединённых между собой последовательно и имеющих общую изоляцию в пазу от сердечника называется катушкой. Катушки укладывают таким образом, чтобы в каждом пазу были размещены одна сторона катушки или две стороны разных катушек – одна над другой. В соответствии с этим различают одно и двухслойные обмотки (рис 1.2).
Основным параметром, определяющим распределение обмотки по пазам, является число пазов на полюс и фазу:  , (1.2)где m – число фаз. Величина q может быть как целым числом, так и дробным. В последнем случае обмотка называется дробной. Преимущество однослойных обмоток – высокая ремонтопригодность ( если «сгорела» одна фаза её и заменяют не затрагивая другие). Двухслойные обмотки позволяют выполнять укорочение шага на любое число пазов, но имеют низкую ремонтопригодность. Стандартное обозначение выводов обмоток. Обозначения выводов, указанных на схемах обмоток, относятся к генераторам. Двигатели переменного тока имеют более разнообразную систему обозначений. |
