ФГБОУ ВПО

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Аипов Р.С.

Электрические машины и аппараты

(конспект лекций, часть I Трансформаторы и асинхронные электрические машины)

Уфа 2012

УДК 621.3(07)

ББК 40.76 Я7

А 36

Конспект лекции предназначен для студентов по специальности 140106 Энергообеспечение предприятий. Может быть рекомендован студентам по специальности 110302 Электрификация и автоматизация сельского хозяйства, студентам электротехнических специальностей, изучающих электрические машины в рамках подготовки бакалавров по направлению «Теплотехника и теплоэнергетика, агроинженерия».

В книге рассмотрены следующие вопросы: физические основы электромеханического преобразования энергии; общие вопросы устройства и работы электрических машин; трансформаторы; асинхронные машины.

ПРЕДИСЛОВИЕ.

Опыт работы со студентами энергетического факультета Башкирского государственного аграрного университета показал, что наиболее трудными для понимания является дисциплины «Электрические машины», «Электрические машины и аппараты».

Поэтому основная задача автора заключалась в том, чтобы по возможности доступно и при умеренном объеме изложить материал по электромеханическому преобразованию энергии от физических основ до технических решений, режимов работы и эксплуатационных характеристических электрических машин и аппаратов.

Первая часть книги посвящена физическим основам электромеханического преобразования энергии, трансформаторам и асинхронным машинам.

В приложении приведены основные справочные данные по физике и электромеханике необходимые для понимания материала.

При написании конспекта лекции использовались учебники, кроме приведенных в работе, по электротехнике, электромеханике, электроприводу (Л.Р. Нейман, Л.А. Бессонов, Т.А. Татур, В.В. Попов, А.А. Булгаков, Н.Ф. Ильинский, М.Г. Чиликин, Ю.А. Сабинин, В.А. Елисеев), а также статьи и монографии по специальным электрическим машинам.

Введение.

Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство, быт и в целом жизнь современного общества. Широкое применение электрической энергии, по сравнению с другими видами энергии, обусловлено возможностями ее производства, распределения и передачи на большие расстояния, управляемостью, а так же высоким КПД преобразования в другие виды энергии.

Почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными электрическими машинами – генераторами, установленными на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях. Большая часть (60-70%) электрической энергии после распределения преобразуется в механическую также электрическими машинами – двигателями. Чтобы распределять и использовать выработанную энергию необходимо на каждую единицу установленной мощности генератора 5 -7 единиц мощностей трансформаторов. Необходимо, кроме того, различного рода электрические аппараты – коммутационные, управления, защиты, в которых в качестве привода используются также электромеханические преобразователи – электромагниты.

Самые крупные электрические машины, установленные на электростанциях имеют мощность в одной единице до 500 -1200 МВТ., а самые маленькие – до нескольких милливатт (0,003 Вт). Самые быстроходные имеют чистоту вращения до 200 тыс. об/мин, а тихоходные до нескольких оборотов в сутки. КПД электрических машин достигает 98,5%

История создания электрических машин начинается с открытия английского физика М. Фарадея 1831 г. закона электромагнитной индукции. Первое практическое применение электрической машины было в 1833 г. Русский ученый Б.С. Якоби создал электродвигатель постоянного тока мощностью 1 кВт и применил его для привода гребного винта катера на Неве, движущегося против течения.

В 1860 -1870 были созданы первые генераторы постоянного тока, а в 1873 г. машины переменного тока.

В 1884 году братья Гопкинсоны предложили трансформатор с замкнутым сердечником.

В 1888 г. М.О. Доливо – Добровольекий предложил систему трехфазного тока, а в 1889 году создал трехфазный асинхронный электродвигатель. В том же году под его руководством была создана система электропередача напряжением 15 кВ длиной 175 км. Тогда же появился синхронный генератор.

В конце XIX века идет быстрое наращивание мощностей электростанций, качественное улучшение электрооборудования, интенсификация процессов производства и передачи электроэнергии, расширение сфер использования электрической энергии. Особенно расширяются области использования электропривода на основе полупроводниковой техники и постоянных магнитов с высокими энергетическими показателями.

Машины постоянного тока используется плавным образом в качестве двигателей из-за благоприятных характеристик и высокой перегрузочной способности в системах регулируемого электропривода.

Основное применение асинхронные машины нашли, как двигатели в системах нерегулируемого и регулируемого электропривода, при питание через преобразователь частоты. В качестве генераторов не большой мощности применяются на ветроустановках и микро ГЭС.

Синхронные генераторы сравнительно не большой мощности - от десятков до нескольких тысяч кВт – применяются в системах автономного электроснабжения.

Синхронные двигатели мощностью более 100 – 200 кВт успешно конкурируют с асинхронными двигателями при частотах вращения от 250 об/мин.

Научно – технический прогресс в электромашиностроении во многом определяет уровень развития других отраслей науки и техники.

Несмотря на большое разнообразие электрических машин их можно конструктивно свести к следующей модели (Рис.1)

Рисунок 1. Обобщенная конструкция электрической машины

Электрическая машина представляет собой электромагнитную систему, состоящую из ферромагнитного сердечника на статоре и роторе и нескольких обмоток образующих статор и ротор. Во вращающихся электрических машинах различные обмотки перемещаются друг относительно друга совместно с частями сердечника, на которых они размещены; в трансформаторах же сердечники и обмотки взаимно неподвижны. Неподвижный элемент электрической машины называется статором, а подвижный – ротором.

1.Основные физические законы электромеханического преобразователя энергии.

В электрических машинах осуществляется преобразование электрической энергии в механическую и механической в электрическую. Поэтому электрические машины называют электромеханическими преобразователями энергии (ЭМП).

Основными физическими законами, описывающие работу ЭМП являются законы электромагнитной индукции (Фарадея-Максвелла) и электромагнитного взаимодействия, закон Ампера и Био - Савара- Лапласа о взаимодействии проводника с током и магнитного поля.

1.1 Закон электромагнитной индукции.

Закон электромагнитной индукции определяет процесс наведение ЭДС в проводниках, находящихся в магнитном поле. Наведенная (индуцированная) в проводнике ЭДС ( количественно равна скорости изменения потокосцепления (по Максвеллу)

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки.

Изменение потокосцепления возможно как во времени, так и при движении контура в магнитном поле.

тогда наведенная ЭДС

где относительная скорость движения контура в магнитном поле.

Практические примеры закона электромагнитной индукции (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 Практические примеры закона электрической индукции: а)- трансформатор; б)- электрическая машина.

Для трансформатора

ЭДС.

- действующее значение ЭДС,

Для электрических машин, когда стороны катушек находятся под разными полюсами и (рис. 1.1,б).

ЭДС катушки при

где

Для одного проводника, движущегося в магнитном поле при взаимно перпендикулярных направлениях закон электромагнитной индукции (формулировка Фарадея)

1.2 Закон электромагнитного взаимодействия.

Закон электромагнитного взаимодействия (закон Ампера) выражает связь между магнитным полем с индукцией , током в проводнике длинной и действующей на проводник силой

, где вектор по модулю равный и совпадающий по направлению с током, – вектор магнитной индукции.

Модуль силы Ампера вычисляется по формуле:

где - угол между векторами и .

В случае однородного магнитного поля и взаимной перпендикулярности ,

Направление силы определяется правилом «левой руки».

Магнитное поле выступает в электрической машине качестве энергоносителя, т.е. посредника подобно пару в паросиловых установках, а само значение индукции (магнитного поля) определяет эффективность преобразователя.

Для расчета магнитной цепи применяется законы магнитной цепи. Законы Ома и Кирхгофа для магнитной цепи имеют формальное сходство с цепью электрической. В ЭМП стальные элементы (участки) формируют и локализируют магнитный поток, проводя его через немагнитный зазор, причем на каждом из них напряженность магнитного поля Н с достаточной точностью можно считать постоянной, а закон полного тока представляется в виде конечной суммы

где силы участков; № 1,2 и т.д.; – магнитодвижущая сила катушки (обмотки).

Магнитная индукция, поток и магнитное сопротивление:

где длина средней магнитной линии участка и площадь его поперечной сечение соответственно.

Расчет магнитных цепей ведется аналогично расчетам электрических цепей с использованием следующих формальных аналогий.

Аналогии магнитной и электрических цепей:

Цепь электрическая	Rэ, Ом	I, A		J	E,
Цепь магнитная	,	Φ, Вб	F,A	B,Tu	H,