ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» (ПГУ)

В. Я. Горячев, Н. Б. Джазовский,

Е. В. Николаева

ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА

Учебное пособие

Часть 1

Пенза

Издательство ПГУ

2009

УДК 621.313 (075.8)

Г67

Р е ц е н з е н т ы:

главный конструктор ОКБ ФГУП «ПО СТАРТ»

В. Г. Шапаев;

Отделение № 8 НИИВТ

(начальник отделения кандидат технических наук,

доцент А. И. Агафонов)

Горячев, В. Я.

Г67           Электромеханика : учеб. пособие / В. Я. Горячев, Н. Б. Джа­зовский, Е. В. Николаева. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2009. – Ч. 1.  288 с.

Описываются общие физические законы, лежащие в принципах действия электрических машин и влияющие на их характеристики.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» и предназначено для студентов, изучающих электромеханические устройства энергосистем.

УДК 621.313 (075.8)

©  ГОУ ВПО «Пензенский государственный университет», 2009

Предисловие

Настоящее учебное пособие отражает содержание курса «Элек­­тромеханика», который авторы преподают в течение многих лет в Пензенском государственном университете и Самарском государственном техническом университете. В пособии рассмотрены физические основы функционирования электрических машин общего применения, специальных электрических машин и электромагнитных устройств систем энергоснабжения. Основной целью написания пособия являлось изложение материала теории и практики эксплуатации электромеханических устройств простым доступным языком без потери информативности содержания.

При написании пособия авторы опирались на учебники российских и зарубежных авторов. Это позволило упростить методику изложения отдельных разделов.

В первой части пособия рассматриваются электрические машины общего применения. Описаны общие физические законы, лежащие в принципах действия электрических машин и влияющие на их характеристики. Достаточно подробно описаны характеристики электрических машин. Характерно то, что в пособии дано детальное объяснение причин поведения характеристик электрических машин.

Авторы выражают особую благодарность рецензентам данного пособия за ряд ценных замечаний, позволивших авторам обратить внимание на некоторые особенности восприятия информации лицами, впервые изучающими электромеханические устройства энергосистем. Это позволило адаптировать отдельные разделы пособия к уровню подготовки студенческой молодежи. Некоторые упрощения при изложении материала не снижают его научно-практи­ческий уровень изложения, а способствуют доступности восприятия информации.

Авторы искренне надеются на то, что данное учебное пособие будет добрым помощником студентам, изучающим электромеханические устройства энергосистем.

Введение

Производство и потребление электрической энергии непре­рывно возрастает. Производство растет главным образом за счет строительства тепловых электростанций с установкой на них крупных энергетических блоков. Продолжается развитие энергети­че­ской системы, дальних линий электропере­дачи переменного тока напряжением 750–1150 тыс. В.

Электрическая энергия обладает большим преимуществом по срав­нению с другими видами энергии: ее можно передавать на большие расстояния, удобно распределять между потребителями, сравнительно просто и с высоким КПД преобразовывать в другие виды энергии. Процессом преобразования электрической энергии легко управлять и при этом автоматически получать необходимые характеристики пре­образованной энергии.

В происходящем научно-техническом прогрессе важная роль при­надлежит электрификации промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта. Развитие электрификации требует широкого при­менения и совершенствования разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основных видов этого оборудования явля­ются электрические машины.

Преобразование механической энергии в электрическую в настоя­щее время осуществляется с помощью электрических генераторов.

Генераторы приводятся во вращение приводными двигателями, такими, например, как паровые, гидравлические и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания и др. Как правило, электростанции удалены от места потребления электрической энергии на значительные расстояния и связываются с потребителями и между собой линиями передачи высокого напряжения 500–800 кВ. Напряжение генераторов обычно невелико, поэтому для эффективной передачи электрической энергии на большие расстояния устанавливаются преобразователи электрической энергии  трансформаторы. После передачи электрической энергии в район потребления производится распределение ее линиями напряжением 6 000, 3 000, 500, 380 и 220 В. Понижение напряжения (чаще всего в несколько ступеней) производится также с помощью трансформаторов.

Трансформатор является электромагнитным аппаратом, не име­­ющим вращающихся частей. Преобразование энергии в трансформаторах и во вращающихся машинах происходит по одним и тем же законам электротехники, поэтому рабочие процессы в тех и других устройствах имеют много общего и изучение их производится в общем курсе электрических машин и трансформаторов.

Около 70 % всей электрической энергии на месте потребления преобразуется в механическую энергию с помощью электродвигателей, предназначенных для электропривода различных машин и механизмов. Практическая возможность и технико-экономическая целесообразность изготовления электродвигателей небольшой мощности позволяют создать одиночный электропривод, при котором облегчается подвод механической энергии к станкам, особенно при большой площади цеха. Одним из современных способов использования механической энергии является многодвигательный привод. Ряд звеньев этой сложной машины приводится в движение отдельными электродвигателями. В некоторых случаях рабочее звено и двигатель объединяются таким образом, что промежуточное звено исключается, а вращающаяся часть машины является продолжением ротора электродвигателя.

Применение электрических машин и трансформаторов в народном хозяйстве не ограничивается перечисленными областями. В системах автоматического управления и регулирования электрические машины часто используются для получения информации о состоянии системы или для преобразования сигнала управления. В качестве элементов схем автоматики применяются специальные электрические машины: усилители – для усиления электрического сигнала; тахогенераторы – для получения электрической информации о скорости вращения вала; вращающиеся трансформаторы – для получения электрического сигнала, пропорционального углу поворота вала или тригонометрической функции этого угла; сельсины для согласованного поворота (вращения) двух или нескольких валов; управляемые двигатели – для преобразования электрического сигнала в механическую энергию; шаговые двигатели – для преобразования сигнала в поворот вала на фиксированный угол.

Одним из законов, лежащих в основе работы электрических машин и трансформаторов, является закон электромагнитной индукции, открытый Фарадеем в 1831 г. Вслед за этим открытием, уже в 1832 г., были выполнены первые модели электрических генераторов постоянного тока, а в 1834 г. член Петербургской Академии наук Б. С. Якоби построил первый электродвигатель для работы от гальванических элементов. Первоначально развивались электрические машины постоянного тока магнитоэлектрического типа, т. е. с возбуждением от постоянных магнитов, а затем, начиная с 1860 г., с электромагнитным возбуждением. Уже к середине 80-х гг. прошлого века машина приобрела все основные черты современной конструкции. По мере увеличения потребления электроэнергии и расширения ее применения стала развиваться наряду с системой постоянного тока система переменного однофазного тока. В 1878 г. П. И. Яблочков осуществил первую установку однофазного тока для электроснабжения изобретенных им «свечей Яблочкова». В этой установке он применил индукционную катушку с разомкнутой магнитной цепью и двумя электрически не связанными обмотками, которая представляла собой трансформатор. Свойства трансформаторов были быстро оценены и в 1885 г. инженеры Дери, Блати и Циперновский (ферма Ганц в Будапеште) получили патенты на ряд конструкций однофазных трансформаторов с замкнутым сердечником из изолированной стальной проволоки.

Эпоху в развитии всех областей электроэнергетики и, в частности, электромашиностроения, составила разработка М. О. Доливо-Добровольским системы трехфазного тока. Большой заслугой Доливо-Добровольского явилось изобретение им в 1889 г. трехфазного асинхронного двигателя, а также разработка ряда элементов передачи энергии трехфазного тока на большое расстояние. Это дало возможность уже в 1891 г. на Международной электротехнической выставке во Франкфурте-на-Майне осуществить первую установку трехфазного тока. Она состояла из генератора мощностью 200 кВт на электростанции в Лауффене (на расстоянии 170 км от выставки), трехфазной линии передачи напряжением 15 кВ, двух понижающих подстанций на территории выставки, одна из которых подводила энергию к трехфазному асинхронному двигателю мощностью 75 кВт.

К началу текущего столетия система трехфазного тока получила всеобщее признание и начала широко и быстро развиваться. С этого времени электроэнергетика развивается комплексно. Тем не менее успехи электромашиностроения в значительной мере определяют дальнейший технический прогресс.

Важное значение для электромашиностроения в целом имело изобретение в 1901 г. так называемой электротехнической стали, содержащей кремний. Применение этой стали позволило значительно снизить массу и размеры машин и трансформаторов без ухудшения их эксплуатационных характеристик. Дальнейшее улуч­шение материалов для магнитопровода привело к созданию холоднокатаной текстурированной стали, которая по сравнению с горячекатаной сталью имеет лучшие характеристики в направлении проката.

В области производства электроэнергии новая ступень развития связана с установкой на электростанциях в начале XX в. синхронных генераторов, непосредственно соединенных с высо­ко­ско­ростными паровыми турбинами. Основные звенья этого разви­тия – повышение надежности работы турбоагрегатов, увеличение их мощ­ности, совершенствование системы охлаждения. Важным этапом было применение водорода в качестве охлаждающего агента: с 1928 г.  для синхронных компенсаторов и с 1937 г.  для генераторов большой мощности. Такие машины выполнялись закрытыми с поверхностным охлаждением обмоток, а также сердечников статора и ротора водоро­дом при небольшом избыточном давлении. В настоящее время для крупных двух- и четырехполюсных синхронных генераторов приме­няется непосредственное охлаждение проводников обмотки ротора водородом и обмотки статора водой при сохранении поверхностного охлаждения водородом сердечника ротора.

Параллельно шло развитие многополюсных синхронных генера­торов, приводимых во вращение гидравлическими турбинами. Уве­личение мощности генераторов достигалось совершенствованием кон­струкции и улучшением охлаждения. Современные наиболее мощные ге­нераторы имеют непосредственное охлаждение обмотки статора водой.

Для развития трансформаторов наибольшее значение имели: устройство маслорасширителей (начиная с 10-х гг. XX столетия) и применение материалов с улучшенными свойст­вами. В связи с уве­личением протяженности линий передачи были созданы грозоупорные трансформаторы, а расширение области приме­нения электроэнергии привело к разработке специальных типов трансформаторов.

В области потребления электроэнергии главную роль играет электродвигатель. С начала 90-х гг. XIX в. в промыш­ленности широко применяется изобретенный М. О. Доливо-Добро­вольским трех­фазный асинхронный бесколлекторный двигатель, за­тем – в начале XX в. – были разработаны асинхрон­ные коллекторные двигатели и, наконец, примерно с 1916 г. – син­хронный двигатель.

В дальнейшем происходило увеличение верхнего предела и умень­шение нижнего предела мощности электродвигателей. В настоящее время построены электродвигатели, мощность которых измеряется десятками тысяч киловатт и микроваттами.

В недрение электропривода в промышленности, сельском хозяй­стве, на транспорте и в обслуживании быта привело к созданию разнообразных специализированных двигателей как по характери­стикам, так и по конструктивному оформлению.

Происходящий научно-технический прогресс характеризуется внедрением механизации и автоматизации во все сферы человеческой деятельности и широким применением специальных электрических машин малой мощности. Для этой цели были разработаны и изготов­ляются как электродвигатели, так и различные электромашинные элементы автоматических устройств.

К электрическим микромашинам общепромышленного назначе­ния обычно предъявляются такие же требования, как и к электрическим машинам средней и большой мощности, причем одним из основных является требование таких энергетических показателей, как КПД. Иногда при массо­вом производстве требование этих энергетических показателей несколько снижается, так как более жестко ставится требование технологичности конструкции. К двигателям группы общепромыш­ленного применения часто не предъявляется повышенных требо­ваний в отношении габаритов, массы, надежности, так как эти свойства обычно приобретаются благодаря применению высоко­качественных материалов, усложнения технологии, увеличения трудоемкости, а следовательно, и стоимости машин, что не всегда приемлемо для потребителей.

Г л а в а 1