Введение

Электрическая машина представляет собой электромеханическое устройство, слу­жащее для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. Если вырабатывается механическая энергия за счет электрической, машина называется электродвигателем, если за счет механической энергии вырабатывается электрическая энергия, машина называется электрогенератором. Генераторы работают, в основном, на электростанциях (тепловых, атомных, гидро, ветро, приливных и других). В большинстве случаев энергия источника используется для перемещения ротора генератора, вырабатывающего электроэнергию. Существуют и другие способы выработки электроэнергии, например, путем прямого преобразования солнечного излучения в напряжение (солнечные батареи). Но они пока в промышленности используются мало, да и к электрическим машинам вряд ли могут быть отнесены.

Около 70% электроэнергии используется в промышленности и на транспорте для создания механической работы. В настоящее время электродвигатель используется значительно чаще других благодаря его уникальным качествам: хорошая управляемость, большой диапазон мощностей и скоростей, относительная простота, а следовательно, дешевизна и т. д. В настоящее время, благодаря успехам промышленности, в состав электрических машин вошли микромашины, мощность которых может быть от долей до сотен Вт. Использование микромашин значительно упрощает конструкцию устройства. К электрическим машинам относят и такие микромашины, которые связаны с преобразованием информации и в устройствах являются датчиками. К ним относятся тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины и т.п.

К электрическим машинам относят трансформаторы. В них хотя и нет движущихся частей, электромагнитные процессы происходят подобно процессам в электрических машинах. Трансформаторы не преобразуют один вид энергии в другой, а изменяют характеристики электроэнергии—напряжение и ток. Существуют и другие виды электрических машин, например, преобразователи частоты, преобразователи однофазного напряжения в трехфазное, датчики перемещений или углов поворота, датчики частоты вращения и т.д. Таким образом, электрические машины это электромеханические устройства, служащие для преобразования механической энергии в электрическую и обратно; для преобразования характеристик электрической энергии , а также для преобразования информации о перемещениях в электрический сигнал и преобразований этого сигнала.

В основе науки об электрических машинах лежат труды таких выдающихся ученых, как М. Фарадей, Д. Максвелл, Э.Х. Ленц, Б.С. Якоби, М.О. Доливо-Добровольский, П.Н. Яблочков и других.

Классификация электрических машин производится по различным признакам.

По назначению—силовые (энергетические) и информационные. К силовым относятся, в основном, исполнительные двигатели (асинхронные, постоянного тока, шаговые). К информационным—тахогенераторы, сельсины, вращающиеся трансформаторы и другие.

По принципу действия—коллекторные и бесколлекторные. К коллекторным относятся двигатели постоянного тока, универсальные и др. К бесколлекторным—асинхронные, синхронные.

По способу возбуждения—с обмоткой возбуждения, с постоянными магнитами возбуждения и т.д. Внутри каждого вида двигателей существует своя классификация—по конструктивным и другим признакам. Например, асинхронные двигатели могут быть одно и многофазные, могут быть с короткозамкнутым или с фазным ротором и т.д., а синхронные машины одно и многофазные, реактивные, гистерезисные и т.д.

Принцип действия электродвигателя основан на законе электромагнитной индукции: если проводник длины l внешней силой перемещается перпендикулярно вектору магнитной индукции В со скоростью (рис.1) , то в проводнике возникнет

электродвижущая сила (ЭДС)

Е= В l 1

Направление ЭДС определяется правилом правой руки. Эта ЭДС , если проводник замкнуть внешним проводом с сопротивлением R, вызовет ток I, который взаимодействует с полем В (по правилу левой руки), вызывая силу

F= В l I. 2

Эту силу необходимо преодолеть, чтобы передвигать проводник со скоростью . Так получается элементарный генератор. Внешняя сила F передвигает проводник, затрачивая мощность на его перемещение. Часть мощности уходит на преодоление силы F, другая -- на нагрев проводника—I²R.

Точно так же можно показать, что если в проводник , помещенный в магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции (как на рис. 1), подать ток I от внешнего источника, возникнет сила в соответствии с (2), и проводник будет двигаться в магнитном поле (по правилу левой руки). Это движение можно использовать для перемещения некоего объекта. Так получается элементарный двигатель. Мощность, забираемая от источника тока, расходуется на совершение механической работы и частично затрачивается на нагрев проводников.

Поступательное движение проводника ограничено в пространстве. Поэтому большинство двигателей изготавливают вращающимися. Электрические двигатели, построенные на описанном принципе, обладают обратимостью, т.е. одна и та же электрическая машина может работать в режиме двигателя или генератора.

1 Трансформаторы

1.1 Принцип действия

Трансформаторы служат для преобразования переменного тока частоты f одного напряжения в переменный ток той же частоты другого напряжения. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции.

Рисунок 1.1 Устройство (а ) и принципиальная схема трансформатора (б ).

Простейший трансформатор представляет собой замкнутый ферромагнитный сердечник (магнитопровод), выполненный из листовой электротехнической стали, и расположенных на нем первичной и вторичной обмоток.

При подключении к первичной обмотке переменного напряжения U₁ в ней возникает ток i₁, который создает переменный магнитный поток Ф, пропорциональный току. Поток Ф, благодаря ферромагнитному сердечнику, проходит через обе обмотки. В каждой из них поток создает ЭДС, пропорциональную количеству витков w.

е₁= -w₁ 1.1

е₂= -w_{2 .}

Знаки «минус» в (1.1) говорят о том, что эти ЭДС направлены против магнитного потока, вызванного внешним напряжением первичной цепи.

Если ко вторичной обмотке w₂ подключить нагрузку Z, по ней во вторичной цепи потечет ток i₂ , на выводах вторичной обмотки возникнет напряжение U₂ < е₂. Это вызвано тем, что: а) магнитный поток, вызванный током первичной обмотки, не весь проходит через витки вторичной обмотки, а частично рассеивается; б) сталь сердечника перемагничивается, вызывая дополнительные потери; в) на сопротивлении вторичной обмотки возникают активные потери напряжения. Из 1.1 видно, что ЭДС, наводимые в обмотках, отличаются лишь за счет разного числа витков. Трансформаторы, вторичное напряжение которых выше первичного, называются повышающими, ниже—понижающими. От того, какая из обмоток выбрана первичной, трансформатор будет понижающим, либо повышающим (свойство обратимости).

Трансформаторы классифицируются по разным признакам.

По назначению—силовые, импульсные, специальные.

По числу фаз—однофазные, трехфазные.

По виду охлаждения—с воздушным и масляным охлаждением и по другим признакам.

1.2 Устройство трансформатора

Трансформатор включает две активные части—магнитопровод и обмотки. В магнитопроводе замыкается основной магнитный поток трансформатора. Магнитопровод набирается (шихтуется) из тонких пластин электротехнической стали, покрытых с соприкасающихся сторон изолирующей пленкой. Это уменьшает вихревые токи. Пластины плотно стягиваются шпильками или другими способами. В зависимости от расположения катушек на магнитопроводе трансформаторы разделяются на стержневые, броневые, тороидальные и их сочетания. Устройство таких трансформаторв показано на рис.1.2.

Рисунок 1.2 Конструкция трансформаторов и формы пластин сердечников.

Обмотки выполняются из обмоточных проводов круглого или прямоугольного сечения (шин). Они наматываются на каркасе, либо бескаркасным способом в несколько слоев. Слои изолируются друг от друга электроизоляционными материалами. Изготовленные катушки пропитываются электроизоляционными лаками и компаундами, которые еще и улучшают теплоотвод. В мощных трансформаторах катушки выполняют в виде отдельных секций. Для увеличения теплоотвода мощных трансформаторов магнитопровод и обмотки помещают в баки, заполненные трансформаторным маслом. Трансформаторное масло, обладая более высокой, чем воздух, электрической прочностью, улучшает и электроизоляционные свойства обмоток. Масляные трансформаторы обладают достаточно сложной конструкцией.

Первичные и вторичные обмотки редко выполняют разделенными. Обычно их наматывают на один каркас. При напряжениях трансформатора до 1000 В обмотки высокого напряжения, если они первичные, располагают внутри (ближе к стержню), низкого напряжения—снаружи. При таком расположении обеспечивается, во-первых, меньшее рассеяние потока, во-вторых, механическая прочность (обмотки низкого напряжения наматываются более толстым проводом), в-третьих, безопасность. Такие трансформаторы обычно содержат несколько одинаковых секций, установленных на разных стержнях. Соединения одинаковых обмоток разных секций осуществляют внешним монтажом.

Следующие характеристики определяют свойства трансформатора.

1) номинальные первичное и вторичное напряжения: U₁ и U₂.. Номинальное вторичное напряжение определяется при номинальном первичном напряжении и отключенной нагрузке;

2) номинальные токи первичной I₁ и вторичной I₂ обмоток;

3) номинальная мощность трансформатора P=U₁I₁.