3
Лекция № 1
План лекции:
1. Цели и задачи изучения дисциплины.
2.Предмет и объекты изучения
3.Краткая историческая справка
Цели и задачи изучения дисциплины Необходимость изучения методов математического описания, расчета и
анализа электромеханических устройств систем автоматического управления с использованием общих принципов электромеханического преобразования энергии объясняется возрастающей сложностью и широким многообразием их конструкций, требованиями широкой математизации разделов специальных курсов по основам машинного анализа и синтеза данных устройств. Обращение к конкретным конструкциям и инженерным задачам современной техники иллюстрирует практическое приложение этой дисциплины.
Особое внимание в курсе уделяется динамическим режимам работы электромеханических устройств. Задача анализа динамики формулируется с энергетической точки зрения на основе уравнений Лагранжа-Максвелла. Установившиеся режимы рассматриваются как частные случаи динамических.
Для освоения курса студенты должны обладать прочными знаниями основ теории электромагнитного поля, цепей постоянного и переменного токов, вариационных принципов механики, математического аппарата для решения и анализа дифференциальных и нелинейных алгебраических уравнений.
Задачами курса являются: обучение студентов общему подходу к составлению уравнений движения различных типов электромеханических устройств, общим методам расчета параметров и характеристик этих устройств.
Предмет и объекты изучения
Работоспособность и надежность современных автоматических систем во многом определяются характеристиками их электромеханических элементов, используемых в качестве источников механической или электрической энергии: устройств, непосредственно выполняющих команды управления, управляющих перераспределением энергии газа или жидкости в исполнительных механизмах пневматических или гидравлических силовых систем, а также осуществляющих различные информационные функции.
Втехнике используются электромеханические системы (ЭМС) различных типов. Их принято разделять на индуктивные и емкостные.
ВЭМС индуктивного типа используется взаимодействие проводников электрических обмоток с магнитным полем. В традиционном исполнении в состав их конструкции входят обмотки, обтекаемые током, - источники магнитодвижущих сил, размещенные на магнитопроводе из магнитомягкого материала, который обеспечивает создание в рабочей среде сильного
4
магнитного поля. Рабочая среда – относительно малый воздушный зазор разделяет магнитопровод на неподвижную (статор) и подвижную (ротор) части. Процесс электромеханического преобразования энергии в таких ЭМС происходит в результате изменения взаимного расположения отдельных частей системы. В преобразовании энергии участвуют электрические и магнитные поля, однако преобладающим является магнитное поле. Средой, в которой запасается и преобразуется энергия, является воздух и ферромагнитное вещество с известными магнитными свойствами. Процесс преобразования обратим.
Применение указанных принципов позволило разработать технические устройства, развивающие при относительно малых энергозатратах, габаритах и массе значительные усилия.
Объекты исследования – ЭМС индуктивного типа – принято разделять на три группы:
-вращающиеся преобразователи с неограниченным перемещением подвижной части (электрические машины);
-преобразователи с ограниченным перемещение подвижной части (электромагнитные устройства или электрические аппараты);
-электромагнитные статические преобразователи, не имеющие подвижных частей (трансформаторы, электромагнитные усилители).
Краткая историческая справка
История развития теории электромеханического преобразования энергии берет начало в 1831 г., М.Фарадеем был сформулирован закон электромагнитной индукции. Согласно этому открытию простейшая рамка (проводник), вращающаяся в постоянном магнитном поле, является прообразом современного электрического генератора. Прообразом современного двигателя может служить рамка, питаемая переменным током, помещенная в постоянное магнитное поле, которая вращается под действием возникающей электромагнитной силы. Из сказанного следует, что электрическая машина является обратимой, явление обратимости открыто Э.Х. Ленцем.
Первое практическое применение электрической машины датируется 1834 г., когда Б.С. Якоби, академик Петербургской Академии наук, создал электрический двигатель постоянного тока, используемый для привода, используемый для привода гребного винта катера. В 60 – 70-х годах прошлого века были разработаны конструкции генератора постоянного тока (Эрнст Сименс). В 1888-89 гг. русский ученый М.О. Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока и создал первые конструкции асинхронных двигателей. К концу XIX века были известны все основные виды электрических машин и создана их классическая теория. На основе этой теории проходило дальнейшее совершенствование известных типов электрических машин и создание их новых образцов.
5
Первые исследования в области классической теории электрических машин были работы Е. Арнольда, А. Блонделя, С. Рюденберга, С.В. Страхова, Г.Н. Петрова.
Двадцатое столетие характеризуется бурным развитием электромашиностроения, причем непрерывно растет количество выпускаемых машин, расширяется диапазон их размеров и мощностей. Совершенствуются конструкции электрических машин, повышается их надежность, снижается масса, приходящаяся на единицу мощности. Одновременно повышаются требования к их статическим, динамическим и массогабаритным характеристикам машин, ужесточаются сроки их разработки.
Удовлетворение таким требованиям стало возможным на основе достаточно точных математических описаний машин, учитывающих основные нелинейности их характеристик, режимы и условия их работы в составе системы. Такие модели строятся при использовании общей теории электромеханического преобразования энергии. Работы этого направления связаны с именами Г. Крона, Р.М. Парка, А.А. Горева, Г.Н. Петрова и др.
В последние десятилетия появился ряд работ ( Б. Адкинса, Д. Уайта, Г. Вудсона, И.П. Копылова, В.в. Хрущева и др.), развивающих теорию электрических машин с учетом возможностей современной вычислительной техники.