lekcii

Укладач: викладач Писарев Г. І.

Розглянуто і схвалено на засіданні комісії електротехнічних дисциплін Протокол №_____

від "____"______________20__р.

Голова комісії_____________ Л.І. Уманська

2

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Вступ Короткі історичні відомості

Один з найважливіших фізичних законів, що визначають принцип дії електричних машин і трансформаторів, — закон електромагнітної індукції — був встановлений М. Фарадеем в 1831г.

У1833 р. член Петербурзької Академії наук і професор Петербурзького університету Э. X. Ленц представив роботу, в якій він глибоко узагальнив закон електромагнітної індукції, сформулював принцип оборотності і показав, що обидва явища,

—обертання під дією електромагнітних сил і електромагнітна індукція — найтіснішим чином пов'язані між собою.

Уподальшому багато робіт Э. X. Ленца були пов'язані з роботами російського академіка б. С. Якобі — винахідника першого електродвигуна з обертальним рухом. Якобі також уперше застосував колектор, який є необхідною частиною колекторної машини.

Побудований ним електродвигун був першим у світі електродвигуном, застосованим для практичного використання. Двигун був використаний для приведення в рух човна на Неві (1837 р.). Одночасно з роботою по удосконаленню свого двигуна Якобі займався багатьма іншими питаннями електротехніки. Велике значення мали його роботи у мінній справі. Якобі для передачі імпульсів електроенергії до мінних запалів на відстань близько 9 км застосував індукційні котушки. Таким чином, була уперше здійснена передача електроенергії при її трансформації за допомогою індукційних котушок.

Проте винахідником трансформатора слід вважати П. Н. Яблочкова, змінного струму, що уперше застосував його для перетворення, в установках промислового типу в 70-х роках минулого століття.

Починаючи з появи двигуна Якобі і до 80-х років минулого століття розвиток практичної електротехніки йшов головним чином у напрямі удосконалення машини постійного струму. Вона у багатьох випадках витіснила дорогі і малоефективні гальванічні елементи.

Першу практичну установку змінного струму здійснив П. Н. Яблочков в 1878 р. для живлення винайдених ним «свічок Яблочкова». Ним при цьому був створений генератор змінного струму з обмоткою на статорі, в якій наводився змінний струм магнітним полем електромагнітів, що оберталися. До обмоткам останніх струм підводився за допомогою контактних кілець і накладених на них щіток від особливого генератора постійного струму. Такий генератор змінного струму став прототипом сучасних синхронних машин.

Індукційні котушки, як вони називалися у той час, застосовані Яблочковым в його установках з «свічками», мали дві магнітно пов'язані обмотки, поміщені на розімкненому сердечнику. Такі індукційні котушки служили для перетворення змінного

3

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

струму і по суті являлися, отже, трансформаторами.

Попри те, що до середини 80-х років минулого століття переваги змінного струму для передачі електричної енергії були виявлені, чому немало сприяли роботи наших співвітчизників Ф. А. Пироцкого, Д. А. Лачинова та ін., все ж у більшості випадків при виборі системи струму зупинялися на постійному струмі, оскільки не існувало ще досить досконалого двигуна змінного струму. Такий двигун був створений у кінці 80-х років нашим співвітчизником М. О. Доливо-Добровольским. Це був трифазний асинхронний двигун, який є нині найбільш поширеною електричною машиною.

У царській Росії своєї промисловості електромашинобудування зовсім майже не було. Ті невеликі заводи, які існували в Петербурзі, Москві, Ризі, Ревеле, не були самостійними. Вони належали іноземним фірмам, яким невигідно було розвивати електромашинобудування в Росії. Існуючі заводи насправді були швидше складальними майстернями, де машини зазвичай збиралися з частин, що привозилися з-за кордону.

Керівними працівниками на заводах були іноземні інженери і техніка. Незважаючи на такі умови, в Росії були свої талановиті інженери і учені. Вони

змогли застосувати повною мірою свої знання і здібності тільки після Великої Жовтневої соціалістичної революції. Вони зіграли чималу роль у справі розвитку електрифікації СРСР.

При їх участі розроблявся ленінський план ГОЭЛРО, розширювалися і будувалися електричні станції і заводи електропромисловості.

Справжнього розквіту електротехніка і її найважливіша область — електромашинобудування — досягли за радянських часів. Швидко виникали великі заводи і електричні станції. Радянські технічні учбові заклади і заводи зростали нові кадри кваліфікованих фахівців, що уміють вирішувати складні технічні завдання.

За роки радянської влади, головним чином за перші дві п'ятирічки, нашому електромашинобудуванню довелося пройти шлях, який закордонна техніка проходила в течію майже півстоліття.

Швидко освоюючи нові типи машин, широко впроваджуючи у виробництво соціалістичні форми праці, на базі широкого планування, промисловість електромашинобудування СРСР якісно і кількісно досягла вже до кінця другої п'ятирічки рівня закордонної техніки.

Усі основні і спеціальні типи трансформаторів і електричних машин — машини постійного і змінного струму, найбільші генератори і трансформатори — виготовляються нині на заводах СРСР. Успіхи радянського електромашинобудування обумовлені самою системою нашого планового господарства і прагненням радянських людей працювати заради загального підйому усього народного господарства.

Потужність нашої техніки особливо позначилася в роки Великої Вітчизняної

4

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

війни і в післявоєнні роки. В цей час були створені нові заводи електромашинобудувань, які забезпечували промисловість необхідними електричними машинами і трансформаторами

Нині ми маємо заводи електромашинобудувань майже в усіх республіках Радянського Союзу, які випускають щорічно мільйони електричних машин і трансформаторів найрізноманітніших типів на потужності від доль вата до сотень тисяч кіловат

Радянські электромашииостроители зберегли кращі традиції своїх знаменитих співвітчизників — У В. Петрова, Э X. Ленца, Би. С. Якобі, А. Г. Столетова, П. Н. Яблочкова, Д. І. Лачинова, М. О. Доливо-Добровольского і інших видатних учених і інженерів, що працювали в минулому столітті, з самого початку розвитку електротехніки, і що багато зробили в цій області своїми науковими відкриттями і винаходами.

Радянські учені і інженери останніми роками далеко зробили крок вперед.

У Радянському Союзі створені такі машини, як турбогенератори на 320000 кВт і 3000 про/мін, найбільші у світі по розмірах гідрогенератори, потужні трансформатори на 500 кВ, багато типів нормальних і спеціальних електричних машин і трансформаторів. Ми тепер маємо багато висококваліфікованих фахівців, число яких безперервно росте.

Необхідно згадати колективи заводів «Електросила» імені С. М. Кірова в Ленінграді, «Динамо» імені С. М. Кірова в Москві, ХЭМЗ і заводу важкого електромашинобудування в Харкові, ЯЭМЗ в Ярославлі, «Уралэлектроаппарат» у Свердловську, МТЗ (Московський трансформаторний завод) імені В. В. Куйбышева в Москві, що мають великі досягнення.

Електричні машини є основними елементами електричних установок. Вони використовуються як джерела (генератори) електричної енергії, як двигуни, щоб приводити в рух найрізноманітніші робочі механізми на заводах і фабриках, в сільському господарстві, на будівельних роботах і т. д.

Електричні машини, призначені для перетворення механічної енергії в електричну, називаються генераторами; електричні машини, призначені для зворотного перетворення електричної енергії в механічну, називаються двигунами.

Електричні машини застосовуються також для перетворення роду струму (наприклад, змінного струму в постійний), частоти і числа фаз змінного струму, постійного струму однієї напруги в постійний струм іншої напруги. Такі машини називаються електромашинними перетворювачами.

Електрична машина має дві основні частини — що обертається, називається ротором, і нерухому, таку, що називається статором

До електричних машин відносять також трансформатор. Трансформатор є статичним електромагнітним апаратом, який служить для перетворення змінного струму однієї напруги в змінний струм іншої напруги, але тієї ж частоти. Хоча він і

5

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

не є машиною (не має частин, що рухаються), все ж його теорія вивчається разом з теорією електричних машин, оскільки основні співвідношення між величинами, що характеризують робочий процес трансформатора, застосовні і до електричних машин.

Розрізняють машини змінного і постійного струму залежно від того, який струм вони генерують або споживають.

Машини змінного струму розділяються на синхронні і асинхронні. У тих і інших машинах при їх роботі виникає магнітне поле, що обертається. Ротор синхронної машини обертається зі швидкістю, рівній швидкості обертання магнітного поля. Швидкість обертання ротора асинхронної машини відрізняється від швидкості обертання поля.

Машини змінного струму бувають однофазні і багатофазні (найчастіше трифазні); перші генерують або споживають однофазний струм, другі — багатофазний струм.

Машини постійного струму, як правило, забезпечуються колектором, який тут служить для отримання на щітках машини э. д. с., постійно діючою в одному напрямі. В той же час колектор служить для перемикання струмів в частинах обмотки ротора (якорі) так, щоб результуюча електромагнітних сил, що виходять від взаємодії магнітного поля електромагнітів статора і струмів в обмотці ротора, діяла на ротор увесь час в одному напрямі.

Знаходять собі застосування також асинхронні колекторні машини змінного струму. Їх ротор виконується так само, як ротор машини постійного струму. Вони на відміну від безколекторних асинхронних машин дозволяють плавно і економічно регулювати їх швидкість обертання. Проте сфера їх застосування дуже обмежена внаслідок їх високої вартості, складності відходу за ними і відносно малої надійності в роботі.

6

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Лекція 1 Тема: 1.1 Конструкція і принцип дії генератора постійного струму

План

1.Типи і особливості конструкції машин постійного струму

2.Принцип дії генератора постійного струму

Машини постійного струму — генератори і двигуни — знаходять собі широке застосування в сучасних електроустановках. Вони виконуються з нерухомими полюсами і якорем, що обертається. На мал. 5-1 представлений схематично розріз чотириполюсної машини. Тут же приведені назви її основних частин.

Мал. Основні частини машини постійного струму.

Характерною частиною машин постійного струму є колектор. Він складається з мідних пластинів, розділених ізоляційними прошарками і зібраних у вигляді циліндра

Якір машини постійного струму при його обертанні перемагнічується, тому він збирається з листів електротехнічної сталі зазвичай завтовшки 0,5 мм Листи перед зборкою покриваються з обох боків лаком; таким чином, запобігає освіта в сталі якоря великих вихрових струмів. На зовнішній поверхні якоря після зборки листів виходять пази і зубці. У пази закладаються провідники обмотки якорі, які за особливими правилами з'єднуються між собою і з колекторними пластинами. На мал. 5-3 показані пази якоря. Вони зазвичай робляться відкритими, що великою мірою полегшує укладання обмотки і дозволяє добре воно ізолювати. Для невеликих машин робляться напівзакриті пази, так само як для статорів асинхронних машин. У машин невеликої і середньої потужності

7

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

якір поміщається безпосередньо на валу, для великих машин — на втулці, що виконується у вигляді хрестовини. Головні полюсы служать для створення основного поля в машині. Вони мають сердечників, на яких поміщається обмотка збудження, і полюсні наконечники. Останні утримують котушки збудження і сприяють найбільш сприятливому розподілу індукції в повітряному проміжку машини уздовж кола якоря. Полюсы в сучасних машинах збираються із сталевих листів завтовшки 0,5÷1 мм для зменшення втрат від вихрових струмів в поверхневому шарі полюсних наконечників, зверненому до якоря. Вихрові струми виникають внаслідок пульсації індукції, викликаної зубчастістю якоря : під окремими частинами полюсного наконечника проходить то зубець, то паз якоря, що викликає в цих частинах то згущування, то розрідження магнітних ліній Пульсації індукції проникають в порівняно неглибокий шар, тому можна було б робити шаруватими тільки полюсні наконечники. Проте технологічно зазвичай вигідніше увесь полюс збирати з листів.

Ярмо статора або станина для сучасних машин великої і середньої потужності виконується з прокатаної листової сталі, зігнутої в циліндр і звареної по шву, або з литої сталі; для машин невеликої потужності — з суцільнотягнутої сталевої труби. Додаткові полюсы виконуються зазвичай з кованої сталі або збираються з листів. Вони, так само як головні полюсы, прикріпляються до станини за допомогою болтів. Їх призначення — створити умови для безіскрової роботи щіток на колекторі (поліпшити комутацію,

Колектор складається з клиноподібних пластинів твердотягнутої міді, які ізолюються один від одного і від корпусу колектора міканітом (з малим вмістом єднальних речовин). Його конструкція показана на мал. 5-5.

Для малих машин останніми роками часто застосовуються колектори на пластмасі. В цьому випадку колекторні пластини разом з міканітовими прокладеннями між ними запресовуються в пластмасу при відповідній термічній обробці

На колектор спираються вугільні, графітні або металлографитные щітки, поміщені в щіткотримачах. При обертанні якоря щітки зберігають незмінне положення по відношенню до полюсів машини. Щітка 2 (мал. 5-6), поміщена в обоймі щіткотримача, притискається пружиною до колектора. Щіткотримачі зміцнюються на щіткових болтах, які у свою чергу зміцнюються на траверсі

(мал. 5-4, г).

Траверси зв'язується або з підшипниковим щитом, або із станиною; її можна повертати і тим самим змінювати положення усієї системи щіток по відношенню до полюсів машини.

8

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

Щіткові болти ізолюються від траверси за допомогою ізоляційних шайб і втулок.

Отримання постійного струму за допомогою колектора Спочатку звернемося до кільцевого якоря. Він є порожнистим цилінд-

ром, зібраним з листів електротехнічної сталі; цей циліндр укріплений на валу машини, наприклад, за допомогою хрестовини, що має спиці з немагнітного матеріалу. Обмотка якоря обвиває порожнистий циліндр у вигляді спіралі, тому її називають спіральною або кільцевою обмоткою. Вона утворює замкнутий контур. Можна вважати, що магнітний потік, що створюється електромагнітами машини, проходитиме тільки по якорю (мал. 5-7). Якщо прийняти, що э.д.с. в провідниках наводяться в результаті перетину провідниками індукційних лінії потоку в повітряному проміжку, то при обертанні якоря э.д.с. виникнуть тільки в провідниках, що лежать на зовнішній поверхні якоря.

Напрями э.д.с. знайдемо, користуючись правилом правої руки. У контурі обмотки внаслідок симетрії обох половин машини ніякого зрівняльного струму виникати не буде, оскільки у будь-який момент часу э.д.с. в провідниках, що лежать під різнойменними полюсами, протилежні по. напряму і сума їх дорівнює нулю.

Щоб використати э.д.с. обмотки, з'єднаємо її із зовнішнім ланцюгом за допомогою нерухомих щіток. Останні можуть ковзати безпосередньо по звільненій від ізоляції частині провідників якоря, як це іноді робилося в машинах, що виготовлялися в 80-х роках минулого століття. Для того, щоб повністю використати э.д.с. обмотки, щітки треба поставити на геометричній нейтралі, т. е. на лінії, перпендикулярній осі полюсів. Щітки ділять обмотку на дві паралельні гілки, причому при вказаному на мал. 5-7 положенні щіток э.д.с. паралельної гілки буде найбільшою. Якщо щітки зміщувати, то э.д.с. в паралельній гілці зменшуватиметься і в граничному випадку, коли щітки співпадатимуть з віссю полюсів, вона дорівнюватиме нулю, оскільки в цьому випадку в кожну паралельну гілку входитимуть провідники з э.д.с., сума яких дорівнює нулю.

Напруга на щітках, рівне э.д.с. паралельної гілки обмотки, буде при великому числі витків обмотки практично постійним за величиною. Розглядаючи якір (мал. 5-7), що обертається, ми бачимо, що витки паралельної гілки, э.д.с. яких визначають напруга на щітках, увесь час знаходяться в полі однієї і тієї ж полярності і, отже, в сумі дадуть э.д.с. одного напряму, попри те, що э.д.с. кожного витка при його обертанні буде змінною.

Пристосовувати обмотку якоря для безпосереднього контакту з щітками

9

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com

недоцільно; набагато краще і надійніше цей контакт обмотки з щітками здійснити за допомогою пластинів колектора; вони при цьому з'єднуються провідниками з окремими витками замкнутої обмотки якоря (мал. 5-8), і, таким чином, щітки за допомогою колектора так само ділять обмотку якоря на паралельні гілки, як це було при безпосередньому їх контакті з провідниками якоря.

Принцип дії генератора постійного струму

Принцип дії електричної машини заснований на фізичних законах електромагнітної індукції і електромагнітних сил. Згідно з вказаними законами, а також законами Ома, Джоуля-Ленца і магнітному ланцюгу можна отримати основні співвідношення між величинами, що характеризують робочий процес машини. Звернемося для цього до мал. 1-2. Тут показані два полюси електромагніту, що створює магнітне поле. У магнітному полі між полюсами поміщений провідник, переріз якого зображений гуртком. Якщо цей провідник пересувати, наприклад, зліва направо, то в нім згідно із законом електромагнітної індукції виникне э.д.с.

де В — індукція в місці, де знаходиться провідник;

l — активна довжина провідника, т. е. та його частина, яка знаходиться в магнітному полі;

v -скорость рухи провідника відносно поля (якщо індукція B виражена у В з/см2, l -в сантиметрах, v -в см/з, то отримаємо э. д. с. e у вольтах; якщо B виражена в гаусах, то для отримання e у вольтах потрібно праву частину (1-1) помножити на 10-8).

Мал. 1-2. До пояснення принципу дії електричних машин.

Напрям наведеної э. д. с. визначається за правилом правої руки, причому слід мати на увазі, що це правило дається для визначення напряму э. д. с. в провіднику, що переміщається відносно магнітного поля (мал. 1-3).

Якщо кінці провідника замкнуті на зовнішній опір, то по ньому піде

10

PDF создан незарегистрированной версией pdfFactory Pro www.pdffactory.com