0.4 Современные тенденции и перспективы развития электромашиностроения

Проблемы и перспективы развития электрических машин неразрывно связаны с перспективами создания новых систем электроснабжения и электропривода.

Источники электрической энергии как постоянного, так и переменного тока в настоящее время развиваются в нескольких направлениях.

Первое - стремление уменьшить массу в одной единице машины. С этой целью уже идет переход к объединенной конструкции привода постоянной скорости и генератора, что позволяет убрать один подшипник и подшипниковый щит - созданы интегральные привод-генераторы. При использовании в приводе постоянной скорости масла в качестве рабочего тела легко решается проблема охлаждения генератора.

Второе - имеет большую перспективу в уменьшении массы и габаритов синхронных электрических машин, связанную с применением для их возбуждения постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов. Они имеют высокую удельную магнитную энергию, которая во много раз превышает магнитную энергию электромагнитов равного объема. Однако эти постоянные магниты пока слишком дороги. Поэтому для массового применения они еще ограничены.

В коллекторных двигателях и генераторах постоянного тока остался самый ненадежный в эксплуатации элемент - щеточно-коллекторный узел, который создает много трудностей и при изготовлении и существенно снижает эксплуатационную надежность таких электрических машин. Но двигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства в отличие от трехфазных асинхронных двигателей. Поэтому идея создания бесколлекторного двигателя постоянного тока занимает умы специалистов уже около полувека. Сущность идеи заключается в замене механического коммутатора (коллектор - щетки) полупроводниковым, что стало возможным сейчас при достаточно развитой базе управляемой силовой полупроводниковой техники.

В настоящее время интенсивно разрабатываются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) на различные мощности. Конструктивно они представляют собой синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов на роторе. Катушки обмоток статора получают энергию от сети постоянного тока через специальный полупроводниковый коммутатор (инвертор), позволяющий регулировать частоту вращения двигателя в необходимых пределах или стабилизи­ровать ее. Механические характеристики БДПТ могут быть от абсолютно жестких, как у синхронного двигателя, до характеристик, соответствующих обычным коллекторным двигателям постоянного тока.

Применение бесколлекторных генераторов и бесконтактных двигателей постоянного тока позволит повысить надежность и улучшить эксплуатационные показатели систем электроснабжения и силового электропривода.

Кроме того, в настоящее время широко используются при производстве электрических машин самые современные конструкционные и изоляционные материалы, нанотехнологии.

1. Принцип действия, устройство и элементы

Конструкции трансформатора Принцип действия авиационных однофазных трансформаторов

Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте.

В зависимости от назначения трансформаторы принято делить на силовые и трансформаторы специального назначения (рис. 1.1).

Простейший силовой трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток ω₁, ω₂, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.2, а).

а)

б)

Рис. 1.2. Конструкция (а) и условное обозначение трансформатора (б)

Одна из обмоток, называемая первичной ω₁, присоединяется к источнику переменного тока с напряжением U₁. К другой обмотке, вторичной ω₂, подключается нагрузка Z_H. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока по ней протекает переменный ток i₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них электродвижущие силы (ЭДС):

в первичной обмотке – ЭДС самоиндукции:

e₁ = -ω₁(dФ/dt), (1.1)

во вторичной обмотке – ЭДС взаимоиндукции:

e₂ = -ω₂(dФ/dt), (1.2)

где ω₁ и ω₂ – числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора.

При подключении нагрузки Z_H к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U₂. Если напряжение, снимаемое с трансформатора, больше подводимого U₂>U₁, то он называется повышающим. В понижающем трансформаторе U₂<U₁.

Из формул (1.1) и (1.2) видно, что ЭДС e₁ и e₂, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга только за счет разного числа витков ω₁ и ω₂ обмоток, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений.

Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, – обмоткой низшего напряжения (НН).

При наличии одной первичной и одной вторичной обмоток трансформатор называют двухобмоточным (см. рис. 1.2). Вторичных обмоток может быть две и более, рассчитанных часто на различные напряжения. В этом случае трансформатор называют многообмоточным.

На рис. 1.2, б показано условное изображение однофазного двухобмоточного трансформатора, применяемое на принципиальных электрических схемах.

В основном трансформаторы используются для преобразования электрической энергии однофазного или трехфазного переменного тока. На основании этого их классифицируют по числу фаз: однофазные и трехфазные.