Лекция 1 ОЗО. Лекции. Тема Общая теория электрических машин Занятие Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах
 Скачать 243.52 Kb.
|
|
Лекции. Тема 1. Общая теория электрических машин; Занятие 1. Общие сведения об электрических машинах и трансформаторах. 1.1. Общие определения и принципы работы электромашин. Действие электрических машин основано на использовании явления электромагнитной индукции. Электрическая машина, предназначенная для преобразования механической энергии в электрическую, называется генератором. Электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в механическую, называется электродвигателем. Электрическая машина, предназначенная для преобразования электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока, другого напряжения, другой частоты называется электромеханическим преобразователем. Любая электрическая машина может быть использована как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Свойство электрических машин изменять направление преобразуемой энергии называют обратимостью. Если в магнитном поле полюсов постоянных магнитов или электромагнитов (рис. 1.1) N и S поместить проводник и под действием какой-либо силы F1перемещать его, то в нем возникнет э. д.  Где: В—магнитная индукция в месте нахождения проводника; l— активная длина проводника (его часть, находящаяся в магнитном поле); v — скорость перемещения проводника в магнитном поле; α — угол между векторами максимума магнитной индукции и скоростью перемещения проводника (в рассматриваемом случае α = р/2, т. е. sin α = 1).  Рис.1.1. Принцип действия электрической машины Направление э. д. с., индуктируемой в проводнике, определяется согласно правилу правой руки . Если проводник замкнуть на какое-либо сопротивление приемника энергии, то в образовавшейся цепи под действием э. д. с. протекает ток I, направление которого совпадает с направлением э. д. с. проводника. В результате взаимодействия тока проводника с магнитным полем полюсов создается электромагнитная сила :  направление которой определяется по правилу левой руки. Эта сила направлена встречно силе F1и при Fэм=F1 проводник перемещается с постоянной скоростью. Таким образом, механическая энергия, затрачиваемая на перемещение проводника, преобразуется в электрическую, отдаваемую сопротивлению внешнего приемника электрической, энергии, т. е. машина будет работать в режиме генератора. Если от постороннего источника электрической энергии через проводник пропустить ток, то в результате взаимодействия тока в проводнике и магнитного поля полюсов создается электромагнитная сила Fэмпод действием которой проводник начнет перемещаться в магнитном поле, преодолевая силу торможения какого-либо механического приемника энергии, т. е. машина будет работать как двигатель. Таким образом, в силу общности законов электромагнитной индукции и электромагнитных сил любая электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя. 1.2. Общая классификация электромашин. Электрические машины подразделяют на машины постоянного и переменного тока. В машинах переменного тока возникает вращающееся магнитное поле, частота вращения которого зависит от частоты тока сети. Любая электрическая машина состоит из двух основных частей: неподвижной — статора, вращающейся — ротора. Машины переменного тока можно подразделять на: однофазные многофазные (обычно трехфазные), в зависимости от принципа действия на: синхронные асинхронные.  1.3. Общие сведения о синхронных машинах В синхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при синхронной скорости, т. е. при частоте вращения ротора, равной частоте вращения магнитного поля. Синхронные машины широко применяют в качестве генераторов, и вся вырабатываемая электрическая энергия производится генераторами этого типа. Применение синхронных двигателей ограничивается относительно небольшим кругом специальных назначений (постоянство частоты, повышение cosц и др.). 1.4. Общие сведения об асинхронных машинах В асинхронных машинах процесс преобразования энергии происходит при несинхронной (асинхронной) частоте, т. е. при частоте вращения ротора, не равной частоте вращения магнитного поля. В силу ряда существенных достоинств асинхронные машины, применяемые в качестве двигателей, являются наиболее распространенным типом электрических машин. 1.5. Общие сведения о коллекторных машинах Кроме синхронных и асинхронных машин переменного тока применяют коллекторные машины, используемые в качестве двигателей переменного тока и допускающие экономичное регулирование скорости в широких пределах, у которых регулировочные характеристики близки к характеристикам двигателей постоянного тока. Электрические машины, применяемые для преобразования электрической энергии в электрическую энергию другого рода тока (другого напряжения, числа фаз, частоты), называют преобразователями. Электрические машины, используемые в качестве регуляторов и усилителей электромеханических сигналов, называют соответственно электромашинными регуляторами и усилителями. 1.6. Общие сведения о трансформаторах. К электрическим машинам в силу общности физических явлений относят трансформатор, являющийся статическим электромагнитным преобразователем переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Принцип работы трансформатора основан на использовании явления взаимоиндукции между двумя (или несколькими) обмотками, помещенными на замкнутом стальном магнитопроводе. Трансформаторы применяют при передаче электрической энергии на большие расстояния и распределении ее между потребителями, а также в различных преобразовательных, измерительных, защитных и других устройствах. Материалы, применяемые для электрических машин и трансформаторов При изготовлении электрических машин и трансформаторов используют материалы, которые можно подразделить на: активные, изоляционные конструкционные. 1.7. Активные материалы, применяемые для электрических машин и трансформаторов Такими материалами являются магнитные и проводниковые (токопроводящие) материалы, обеспечивающие нормальное протекание электромагнитных процессов при работе электрических машин и трансформаторов. К проводниковым материалам относят прежде всего медь, обладающую малым удельным сопротивлением. Из меди изготовляют контактные кольца и коллекторные пластины. Наряду с медью применяют алюминий, а в некоторых случаях сплавы латуни и бронзы. Из меди и алюминия изготовляют провода круглого и прямоугольного сечений для обмоток электрических машин и трансформаторов. В качестве магнитных материалов для сердечников электрических машин и трансформаторов применяют электротехнические стали различных марок . Потери в стали магнитопровода складываются из потерь на вихревые токи и гистерезис (перемагничиваиие стали). Для уменьшения потерь на вихревые токи магнитопроводы трансформаторов и электрических машин изготавливают из отдельных пластин, изолированных друг от друга. Изоляционные прослойки, оказывая вихревым токам чрезвычайно большое сопротивление, ограничивают сферу действия токов небольшими участками и тем самым значительно уменьшают потери электрической энергии. 1.8. Изоляционные материалы, применяемые для электрических машин и трансформаторов Это — одни из основных элементов электрической машины и трансформатора, так как надежность их работы в большой степени зависит от качества изоляции. Изоляция должна обеспечивать надежную работу электрической машины или трансформатора в условиях эксплуатации при значительных колебаниях температуры. В зависимости от нагревостойкости изоляционные материалы разделяют на классы со следующими предельно допустимыми температурами: класс Υ — 90° С, класс А — 105° С, класс Е — 120° С, класс В — 130° С, класс F — 155° С, класс Н — 180° С, класс С —более 180° С. К классу Υ относят не пропитанные и не погруженные в жидкий диэлектрик волокнистые электроизоляционные материалы из целлюлозы или шелка, а также полимерные органические диэлектрики (полиэтилен, полистирол и др.) с температурой размягчения не ниже 90—100° С. К классу А— волокнистые электроизоляционные материалы из целлюлозы или шелка, пропитанные или погруженные в жидкий диэлектрик; изоляцию эмальпроводов на основе масляных или полиамидных лаков; дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для материалов класса А являются трансформаторное масло, масляные лаки, битумные составы. К классу Е—-литьевые составы; изоляцию эмальпроводов на основе полизинилацеталевых, полиэфирных, эпоксидных и ио-лнуретаиовых смол и синтетические материалы. К классу В — электроизоляционные материалы, изготовленные на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, волокнистое стекло), пропитанных лаками или смолами повышенной нагревостойкости, а также пластмассы с неорганическим наполнителем. К классу F — электроизоляционные материалы, изготовленные на основе неорганических диэлектриков и пропитанные лаками или смолами, модифицированными кремнийоргаиическими соединениями. К классу Н— неорганические электроизоляционные материалы, пропитанные кремнийорганическими лаками или смолами. Такие материалы не содержат связывающих органических материалов с нагрево-стойкостью ниже 180° С. К классу С — неорганические изоляционные материалы, изготовленные без применения органических связывающих устройств. 1.9. Конструкционные материалы, применяемые для электрических машин и трансформаторов Их применяют для изготовления тех частей и деталей электрических машин и трансформаторов, которые служат главным образом для передачи и восприятия механических воздействий. В электрических машинах применяются : чугун, сталь, цветные металлы сплавы цветных металлов пластмассы. Нагревание и охлаждение электрических машин и трансформаторов. 1.10. Режимы работы и потери энергии при работе электрических машин Режим работы электрической машины или трансформатора при условиях, для которых они предназначены заводом-изготовителем, называют номинальным. Такой режим характеризуется номинальными величинами, указанными на заводском щитке машины или трансформатора. Обычно электрические машины и трансформаторы предназначаются для продолжительного режима работы, при котором они могут работать с установившимися превышениями температуры их отдельных частей над температурой окружающей среды, не превосходящими допускаемых общесоюзными стандартами. При работе электрических машин и трансформаторов возникают потери преобразуемой ими энергии. Эти потери складываются из следующих видов: электрические (потери в обмотках), идущие на нагревание протекающими токами проводов обмоток, сопротивлений переходных контактов на коллекторе или контактных кольцах; гистерезисные, возникающие в перемагничиваемых ферромагнитных частях машин или трансформатора; потери на вихревые токи в частях машин и трансформаторов, находящихся в переменных магнитных нолях. механические, идущие на трение в подшипниках, о воздух (или газ), вращающихся частей машины, щеток о коллектор или контактные кольца; потери, затрачиваемые на вращение вентилятора, расположенного на валу машины. Способы охлаждения электрических машин. Возникающие при работе электрических машин и трансформаторов потери энергии превращаются в теплоту, нагревая отдельные их части. Теплота должна быть рассеяна в окружающую среду, чтобы температура отдельных частей электрических машин и трансформаторов не превышала допустимых пределов. По способу охлаждения электрические машины подразделяются на: машины с естественным охлаждением, не имеющие специальных устройств для охлаждения. Такие машины бывают малой мощности, так как отвод тепла в них малоинтенсивен; машины с самовентиляцией, на валу которых помещают вентилятор, всасывающий или нагнетающий в машину при вращении ротора воздух и прогоняющий его через внутреннюю полость машины. машины с посторонним охлаждением, в которых охлаждающий воздух (или водород) прогоняется по трубам вентилятором. Такое охлаждение применяют для машин большой мощности. В зависимости от того, в каком направлении движется охлаждающий воздух по телу ротора, различают две основные системы вентиляции: радиальную осевую. При радиальной вентиляции охлаждающая среда перемещается в радиальном направлении от вала к периферии ротора через промежутки между пакетами стальных листов, образующих сердечник ротора. При осевой вентиляции в сердечнике ротора устраивают осевые каналы, сквозь которые прогоняется воздух параллельно валу машины. Радиальная система вентиляции проста в конструктивном отношении и надежна, потери энергии на вентиляцию малы и теплоотдача равномерна. Однако она некомпактна и неустойчива в отношении количества протекающего через машину воздуха. В машинах малой и частично средней мощности лучшие результаты дает осевая вентиляция, а в машинах средней и большой мощности — радиальная. Методы охлаждения трансформаторов В трансформаторах используется: воздушное (в сухих) масляное охлаждение. В сухих трансформаторах нагретые поверхности обмоток и магнитопровода отдают тепло омывающему их воздуху путем конвекции и излучения. В масляных трансформаторах тепловая энергия передается в окружающую среду специальным трансформаторным маслом, заливаемым в металлический бак, в котором помещен трансформатор. Трансформаторное масло является хорошей охлаждающей средой и хорошим изоляционным материалом, который обеспечивает высокую электрическую прочность трансформатора при сравнительно малых изоляционных промежутках. Способы защиты электромашин от влияния внешней среды. По способу защиты от влияния внешней среды различают следующие исполнения машин: открытое, защищенное, брызгозащищенное, водозащищенное, герметическое взрывобезопасное Открытой считается машина, у которой вращающиеся и токоведущие части не имеют защитных приспособлений. В защищенноймашине есть специальные защитные приспособления, препятствующие проникновению внутрь машины посторонних предметов, а также защищающие от случайных прикосновений к токоведущим или вращающимся частям. В брызгозащищенноймашине есть специальные защитные приспособления, предохраняющие от попадания внутрь водяных капель, падающих сверху под углом до 45° к вертикали. Водозащищеннойсчитается машина, закрытая со всех сторон (негерметически плотно) и выдерживающая испытание обливанием струей воды. В герметической машине плотно закрытый корпус не допускает проникновения влаги внутрь машины при ее погружении в воду. Взрывобезопасная машина должна противостоять взрыву газа внутри машины и не передавать его во внешнюю среду. |