ПЕРМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Кафедра МСА
Краткий конспект лекций
по курсу “Электрические машины”
составил: доцент кафедры МСА Кузнецов М.И.
Пермь 2004
Оглавление
Введение………………………………………………………………………………………….5
I Электрические машины – Электромеханические преобразователи энергии……………....6
I-1 Математическое описание электромеханического преобразования энергии в электрических машинах………………………………………………………………...……….7
I-2 Электромеханическое преобразование энергии в машинах постоянного и переменного тока………………………………………………………………………………………………..9
I-3 Законы электромеханики…………………………………………………………………...12
II Трансформаторы……………………………………………………………………………..13
II-1 Устройство трансформаторов………………………………………………………..……13
II-1-1 Шихтовка железа и обмотки стержневых генераторов……………………………….13
Однофазные трансформаторы
II-2 Холостой ход однофазного трансформатора………………………………………...…..15
II-2-1 Ток холостого хода……………………………………………………………………....15
II-2-2 Потоки и ЭДС в однофазном трансформаторе………………………………….……..15
II-2-3 Потери в холостом ходе трансформатора…………………………………………...…16
II-2-4 Схема замещения трансформатора……………………………………………………..16
II-2-5 Определение параметров Zm, Xm, Zm…………………………………………………...17
II-3 Работа однофазного трансформатора под нагрузкой……………………………………17
II-3-1 Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной…………………………………………………………………………………….…17
II-3-2 Физические процессы в трансформаторе при нагрузке………………………………18
II-3-3 Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке…………………………………18
II-3-4 Схема замещения трансформатора при нагрузке……………………………………...19
II-4 Режим короткого замыкания однофазного трансформатора……………………………20
II-4-1 Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании…………………...20
II-4-2 Потери при коротком замыкании………………………………………………………21
II-4-3 Экспериментальное определение параметров короткого замыкания……………………………………………………………………………………….21
II-4-4 Треугольник короткого замыкания…………………………………………………….21
II-5 Совмещение режимов……………………………………………………………………..22
II-5-1 Коэффициент полезного действия трансформатора…………………………………..22
II-5-2 Относительное
изменение напряжения-
U………………………………………....23
II-6 Трехфазные трансформаторы……………………………………………..........................24
II-6-1 Устройство трехфазных трансформаторов и их особенность……………………..…24
II-6-2 Группы соединения трехфазных трансформаторов…………………………………...25
II-6-3 Параллельная работа трансформаторов………………………………………………..26
II-6-4 Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициентов трансформации………………………………………………………………………………….27
II-6-5 Параллельная работа трансформаторов при неравенстве напряжений короткого замыкания……………………………………………………………………………………….27
II-6-6 Параллельная работа трансформаторов с различными группами соединения………………………………………………………………………………………28
III Асинхронные машины….......................................................................................................29
III-1 Устройство и принцип действия асинхронных двигателей……………………………29
III-1-1 Принцип создания вращающего магнитного поля…………………………………...29
III-1-2 Принцип действия асинхронного двигателя………………………………………….29
III-2 Общие вопросы машин переменного тока……………………………………………...30
III-2-1 Обмотки машин переменного тока……………………………………………………30
III-2-2 Электродвижущая сила (ЭДС) машин переменного тока……………………………34
III-2-3 Намагничивающая сила обмоток машин переменного тока………………………...38
III-3 Рабочий процесс асинхронного двигателя………………………………………………38
III-3-1 Режимы работы асинхронной машины………………………………………………..38
III-3-2 Режим двигателя……………………………………………………………………..…39
III-3-3 Приведение параметров роторной обмотки к статорной……………………………39
III-3-4 Явления, связанные с вращением ротора асинхронного двигателя…………………40
III-3-5 Приведение асинхронного двигателя к эквивалентному трансформатору…………41
III-3-6 Векторная диаграмма асинхронного двигателя………………………………………42
III-3-7Схемы замещения асинхронной машины………………………………………….......43
III-4 Вращающий (электромагнитный) момент асинхронной машины……………….....…45
III-4-1 Энергетическая диаграмма и вращающий момент……………………………….......45
III-4-2 Максимальный (критический) момент асинхронной машины…………………...….47
III-4-3 Расчетная формула момента асинхронного двигателя……………………………….48
III-5 Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей……………………..…...49
III-5-1 Регулирование частоты вращения двигателей изменением частоты…………….....49
III-5-2 Регулирование частоты вращения двигателей путем изменения числа пар полюсов…………………………………………………………………………………….…...50
III-5-3 Регулирование частоты вращения двигателя сопротивлением в цепи ротора (фазный ротор)………………………………………………………………………………….52
IV Машины постоянного тока…………………………………………………………………52
IV-1 Устройство и принцип действия машины постоянного тока………………………….52
IV-2 Обмотки машин постоянного тока………………………………………………………54
IV-2-1 Простая петлевая обмотка…………………………………………………………..….55
IV-2-2 Простая волновая обмотка…………………………………………………………….56
IV-2-3 Сложно – петлевая обмотка………………………………………………………..…..57
IV-2-4 Сложно – волновая обмотка……………………………………………………..….…58
IV-2-5Симметрия обмоток и уравнительные соединения…………………………….….….58
IV-2-6 Смешанная (лягушечья) обмотка………………………………………………….…..60
IV-3 ЭДС обмотки якоря……………………………………………………………………….61
IV-4 Реакция якоря в машинах постоянного тока……………………………………………61
IV-5 Генераторы постоянного тока……………………………………………………………63
IV-5-1 Электромагнитный момент генератора постоянного тока…………………………..64
IV-5-2 Генератор независимого возбуждения………………………………………………..64
IV-5-3 Генератор параллельного возбуждения……………………………………………….65
IV-5-4 Генератор последовательного возбуждения………………………………………….67
IV-5-5 Генератор смешанного возбуждения………………………………………………….67
IV-6 Двигатели постоянного тока……………………………………………………………..68
IV-6-1 Пуск двигателей постоянного тока……………………………………………………69
IV-6-2 Реверсирование двигателей постоянного тока……………………………………….69
IV-6-3 Классификация двигателей постоянного тока………………………………………..70
IV-6-3-1 Двигатели параллельного возбуждения…………………………………………….70
IV-6-3-2 Двигатели последовательного возбуждения………………………………………..71
IV-6-3-3 Двигатели смешанного возбуждения……………………………………………….72
IV-6-4 Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока…………………...72
IV-6-4-1 Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря………………...73
IV-6-4-2 Регулирование частоты вращения за счет изменения потока……………………..73
IV-6-4-3 Регулирования частоты вращения изменением подводимого напряжения……………………………………………………………………………………...73
V Синхронные машины………………………………………………………………………..74
V-1 Назначение, устройство и принцип действия……………………………………………75
V-2 Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе……………………………….76
V-2-1 Реакция якоря при активной нагрузке…………………………………………………77
V-2-2 Реакция якоря при индуктивной нагрузке……………………………………………..78
V-2-3 Реакция якоря при ёмкостной нагрузке………………………………………………..78
V-3 Рабочий процесс в синхронной машине…………………………………………………79
V-3-1 Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора………………..79
V-3-2 Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора……………………………………………………………………………………….80
V-4 Определение параметров в синхронной машине………………………………………..81
V-4-1 Определение синхронного индуктивного сопротивления Хd (ненасыщенного)…………………………………………………………………......................81
V-4-2 Определение параметра Хd (насыщенного)…………………………………………..82
V-4-3 Определение параметра Хd…………………………………………………………….83
V-4-4 Определение параметра Хd и Хq методом скольжения………………………………83
V-4-5 Определение параметра Хs…………………………………………………………….83
V-5 Параллельная работа синхронных генераторов………………………………………...84
V-5-1 Параллельная работа синхронных генераторов при неравенстве напряжений…………………………………………………………………………………….84
V-5-2 Параллельная работа синхронных генераторов при неравенстве частот…………...85
V-6 Синхроноскопы, методы синхронизации машин…………………………………….....85
V-6-1 Включение генератора параллельно сети на погасание ламп……………………….86
V-6-2 Включение генератора параллельно сети на бегущей свет……………………….....86
V-7 Электромагнитная мощность и момент синхронных машин…………………………..87
V-8 Синхронный двигатель…………………………………………………………………...88
V-8-1 Векторные диаграммы и угловые характеристики синхронного двигателя……………………………………………………………………………………….89
V-8-2 Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения. М=const, iв=var…………………………………………………………………90
V-8-3 Пуск синхронного двигателя………………………………………………………..…92
Введение
Почти вся электроэнергия на Земле вырабатывается электрическими машинами (генераторами), а затем большая ее часть, электрическими двигателями преобразуется в механическую энергию. Электрические машины во многом определяют технический уровень промышленного производства. Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство и жизнь цивилизованного общества.
Широкое применение электрической энергии имеет место благодаря возможности удобного ее распределения, передача на большие расстояния и высокому КПД при преобразовании в другие виды 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 попадает 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 выработки электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо турбины. Турбина вращается и вращает вал электрического генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. В процессе потребления электрической энергии происходит ее преобразование в другие виды энергии. 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.
Электродвигатели – основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергией, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин. Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей электровозов, электропоездов, троллейбусов, трамваев и др.
За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности – микромашин мощностью от долей до нескольких сот Ватт. Такие электрические машины используются в устройствах автоматики и вычислительной технике.
Особый класс электрических машин составляют двигатели для бытовых электроустройств – пылесосы, холодильники, вентиляторы 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 на тысячи километров. 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 понижать и повышать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитного устройства, называемого трансформатором.
Трансформатор не является электрической машиной, 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.