Содержание:

Введение……………..…………………………………………………………………………….......5

1. Электрические машины – Электромеханические преобразователи энергии .............................7

1-1. Математическое описание электромеханического преобразования энергии в электрических машинах ............................................................................................................................8

1-2. Электромеханическое преобразование в машинах постоянного и переменного тока.....9

1-3. Законы Электромеханики .....................................................................................................12

2. Трансформаторы................................................................................................................................13

2-1. Устройство трансформатора .................................................................................................13

2-1-1. Шихтовка железа и обмотки стержневого трансформатора …...................................14

2-2. Однофазные трансформаторы. Холостой ход однофазного трансформатора .................15

2-2-1. Ток холостого хода ..........................................................................................................15

2-2-2. Потери при холостом ходе трансформатора .................................................................16

2-2-3. Схема замещения трансформатора при холостом ходе ...............................................16

2-2-4. Определение параметров z_m,x_m,r_m .................................................................................17

2-3. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой .........................................................17

2-3-1. Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной ............17

2-3-2. Физические процессы в трансформаторе при нагрузке ...............................................18

2-3-3. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке ..................................................18

2-3-4. Электормагнитное преобразование активной мощности в трансформаторе.............19

2-3-5. Схема замещения трансформатора при нагрузке .........................................................19

2-4. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора .............................................20

2-4-1. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании .............................20

2-4-2. Потери при коротком замыкании ...................................................................................21

2-4-3. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания .........................22

2-4-4. Треугольник короткого замыкания ................................................................................22

2-5. Совмещение режимов ............................................................................................................22

2-5-1. Коэффициент полезного действия трансформатора ....................................................22

2-5-2. Относительное изменение напряжения - ΔU................................................................23

2-6. Трехфазные трансформаторы ...............................................................................................24

2-6-1. Устройство трехфазных трансформаторов и их особенность .....................................24

2-6-2. Группы соединения трехфазных трансформаторов .....................................................26

2-6-3. Холостой ход трехфазного трансформатора………………………………….....…….27

2-6-4. Холостой ход трёхфазного трансформатора при соединении обмоток /…............27

2-6-5. Холостой ход трёхфазного трансформатора при соединении

обмоток /,/………………………………………………………………………......28

2-6-6. Параллельная работа трансформаторов ……………………………………….…........29

2-6-7. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициентов трансформации ……………………………………………..……………………..............…....29

2-6-8. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве напряжений

короткого замыкания ..……….……………………….………………………….....…...30

2-6-9. Параллельная работа трансформаторов с различными группами

соединения ………………………………………………………………………....….....31

2-7. Переходные режимы трансформаторов …………………….…………………..........…...31

2-7-1. Переходный процесс при включении трансформатора в холостую …...............…...32

2-7-2. Переходный процесс при коротком замыкании трансформатора …….…..................34

2-7-3. Переходные процессы, вызванные перенапряжением ………………….............…....35

2-8. Специальные трансформаторы .............................................................................................37

2-8-1. Автотрансформаторы ......................................................................................................37

2-8-2. Трехобмоточный трансформатор ...................................................................................38

2-8-3. Трансформаторы с расщепленными обмотками ...........................................................39

2-8-4. Регулирование напряжения в трансформаторах ...........................................................40

2-8-5. Трансформаторы для утроения и удвоения частоты ....................................................42

2-8-5-1. Трансформаторы для утроения частоты .................................................................42

2-8-5-2. Трансформаторы для удвоения частоты .................................................................44

2-8-6. Магнитные усилители .....................................................................................................45 3. Асинхронные машины...............................................................................................................48

3-1. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя ................................................48

3-1-1. Принцип создания вращающегося магнитного поля статорной обмоткой ................49

3-1-2. Принцип действия асинхронного двигателя .................................................................49

3-2. Общие вопросы машин переменного тока ...........................................................................50

3-2-1. Обмотки машин переменного тока ................................................................................20

3-2-2. Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки машин переменного тока ............................53

3-2-3. намагничивающая сила обмоток машин переменного тока ........................................57

3-2-3-1. Намагничивающая сила однофазной обмотки .......................................................57

3-2-3-2. Намагничивающая сила трехфазной обмотки ........................................................58

3-3. Рабочий процесс асинхронного двигателя ..........................................................................61

3-3-1. Режимы работы асинхронной машины .........................................................................61

3-3-2. Режим двигателя ..............................................................................................................62

3-3-3. Явления связанные с вращением ротора асинхронного двигателя ............................63

3-3-4. Приведение параметров роторной обмотки к статорной .............................................64

3-3-5. Приведение асинхронного двигателя к эквивалентному трансформатору ................65

3-3-6. Векторная диаграмма асинхронного двигателя ............................................................65

3-3-7. Электромеханическое преобразование энергии в асинхронном двигателе ...............66

3-3-8. Схемы замещения асинхронной машины .....................................................................67

3-4. Вращающий (электромагнитный) момент асинхронной машины ...................................69

3-4-1. Энергетическая диаграмма, вращающий момент асинхронного двигателя ..............69

3-4-2. Максимальный (критический) момент асинхронной машины ...................................71

3-4-3. Расчетная формула момента асинхронного двигателя ................................................72

3-4-4. Влияние высших гармоник магнитного поля на работу асинхронной машины .......72

3-4-5. Круговая диаграмма асинхронной машины ..................................................................74

3-4-6. Пуск трехфазных асинхронных двигателей ..................................................................76

3-4-6-1. Пуск под номинальным напряжением .....................................................................76

3-4-6-2. Пуск при пониженном напряжении .........................................................................77

3-4-6-3. Пуск двигателя с фазным ротором ...........................................................................78

3-5. Асинхронные двигатели с обмоткой ротора специального исполнения ..........................79

3-5-1. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с глубоким пазом на роторе .................79

3-5-2. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с двойной клеткой на роторе ...............81

3-6. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей ............................................82

3-6-1. Регулирование частоты вращения двигателя изменением частоты.............................83

3-6-2. Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения числа пар полюсов 83

3-6-3. Регулирование частоты вращения двигателя сопротивлением в цепи ротора (с фазным ротором) ........................................................................................................................................85

3-6-4. Регулирование частоты вращения двигателя изменением напряжения .................85

3-7. Асинхронная машина в режиме генератора ........................................................................86

3-8. Однофазный асинхронный двигатель ..................................................................................87

4. Машины постоянного тока ..............................................................................................................89

4-1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока ...............................................89

4-2. Обмотки якоря машин постоянного тока ............................................................................90

4-2-1. Простая петлевая обмотка ...............................................................................................91

4-2-2. Простая волновая обмотка...............................................................................................92

4-2-3. Сложно петлевая обмотка ...............................................................................................93

4-2-4. Сложно-волновая обмотка ..............................................................................................93

4-2-5. Симметрия обмоток и уравнительные соединения ......................................................94

4-2-6. Смешанная (лягушечья) обмотка ...................................................................................96

4-2-7. Расчет магнитной цепи машины постоянного тока .....................................................96

4-3. ЭДС обмотки якоря ..............................................................................................................100

4-4. Реакция якоря в машинах постоянного тока .....................................................................100

4-5. Генераторы постоянного тока .............................................................................................102

4-5-1. Электромагнитный момент генератора постоянного тока ........................................103

4-5-2. Генераторы независимого возбуждения ......................................................................103

4-5-3. Генератор параллельного возбуждения .......................................................................104

4-5-4. Генератор последовательного возбуждения ...............................................................106

4-5-5. Генератор смешанного возбуждения ...........................................................................106

4-5-6. Параллельная работа генераторов постоянного тока .................................................107

4-6. Двигатели постоянного тока ...............................................................................................109

4-6-1. Энергетическая диаграмма двигателя постоянного тока ...........................................109

4-6-2. Пуск двигателей постоянного тока ..............................................................................110

4-6-3. Реверсирование двигателя постоянного тока ..............................................................110

4-6-4. Классификация двигателей постоянного тока ............................................................111

4-6-4-1. Двигатели параллельного возбуждения ..............................................................111

4-6-4-2. Двигатели последовательного возбуждения .......................................................112

4-6-4-3. Двигатель смешанного возбуждения ...................................................................113

4-6-5. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока .............................114

4-6-5-1. Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря ....................114

4-6-5-2. Регулирование частоты вращения за счет изменения потока ...........................114

4-6-5-3. Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения .....115

4-7. Коммутация в машинах постоянного тока ........................................................................116

4-7-1. Закон изменения тока в коммутируемой секции ........................................................117

4-7-2. Прямолинейная коммутация .........................................................................................118

4-7-3. Замедленная коммутация ..............................................................................................119

4-7-4. Ускоренная коммутация ................................................................................................121

4-7-5. Определение реактивной ЭДС-e_r..................................................................................121

4-7-6. Способы улучшения коммутации ................................................................................123

4-7-7. Круговой огонь в машинах постоянного тока .............................................................125

5. Синхронные машины ......................................................................................................................127

5-1. Назначение, устройство и принцип действия ....................................................................127

5-2. Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе .................................................128

5-2-1. Реакция якоря при активной нагрузке .........................................................................129

5-2-2. Реакция якоря при индуктивной нагрузке ...................................................................129

5-2-3. Реакция якоря при емкостной нагрузке .......................................................................130

5-2-4. Реакция якоря при смешанной нагрузке ......................................................................130

5-2-5. Магнитное рассеяние .....................................................................................................131

5-3. Рабочий процесс синхронной машины ..............................................................................131

5-3-1. Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора .......................132

5-3-2. Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсной синхронной машины .................132

5-4. Определение параметров синхронной машины по снятым характеристикам ...............133

5-4-1. Определение ненасыщенного индуктивного сопротивления Xd..............................133

5-4-2. Определение параметра Xdнасыщенного ...................................................................134

5-4-3. Определение параметра Xq...........................................................................................135

5-4-4. Определение параметров XqиXdметодом скольжения ...........................................135

5-4-5. Определение параметра Xs ...........................................................................................135

5-4-6. Диаграммы намагничивающих сил ..............................................................................136

5-5. Параллельная работа синхронных генераторов ................................................................137

5-5-1. Параллельная работа генераторов при неравенстве напряжений .............................137

5-5-2. Параллельная работа генераторов при неравенстве частот .......................................137

5-5-3. Синхроноскопы. Методы синхронизации синхронных машин ................................138

5-5-4. Включение генератора параллельно сети на погасание ламп ...................................138

5-5-5. Включение генератора параллельно сети на бегущий свет .......................................139

5-6. Электромагнитная мощность и момент синхронных машин ...........................................139

5-7. Режимы работы синхронной машины параллельно с сетью ...........................................140

5-7-1. Режим синхронного генератора при постоянном токе возбуждении и переменном моменте ( ) ................................................................................................................141

5-7-2. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения () .........................................................................................................142

5-8. Переходный процесс в синхронной машине .....................................................................143

5-9. Синхронный двигатель ........................................................................................................151

5-9-1. Векторные диаграммы и угловые характеристики синхронного двигателя.............151

5-9-2. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения ...........................................................................................................152

5-9-3. Пуск синхронного двигателя ........................................................................................154

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.

Краткий конспект лекций по курсу «Электрические машины» не претендует на новое издание, а служит хорошей помощью для студентов заочников, у которых нет литературы для достаточного изучения материала, а так же для студентов дневного отделения.

В конспект лекций не вошло введение исторического развития электрических машин и современное состояние их развития. Этот материал хорошо изложен в ( л 15 ). В конспект лекций не вошел раздел по микромашинам.