электрические машины лекция. лекция1_электрические+машины. Учебный курс Электрические машины
 Скачать 466.31 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ Данный курс предназначен для знакомства с физическими основами электромеханического преобразования энергии, принципом действия и устройством наиболее распространенных силовых электромеханических преобразователей энергии. Он создает теоретическую базу для понимания большинства современных технологий и способствует формированию общей технической грамотности бакалавров. Учебный курс «Электрические машины» относится к обязательной части учебного блока дисциплин 1 основной образовательной программы профессиональной подготовки бакалавров по направлению 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника. Цель изучения дисциплины: подготовиться к анализу, испытаниям и эксплуатации электромеханических преобразователей энергии. Задачи: 1. Сформировать представления об электромеханическом преобразовании энергии. 2. Ознакомиться с устройством, принципом действия и применением вращающихся электрических машин. 3. Ознакомиться с устройством, принципом действия и применением трансформаторов. Учебный курс «Основы электромеханики» базируется на освоении таких дисциплин как «Физика», «Высшая математика», «Теоретические основы электротехники» Знания и умения, приобретаемые в результате изучения учебного курса «Основы электромеханики» полезны для освоения таких дисциплин как «Электрические машины и основы электропривода», «Приемники и потребители электрической энергии систем электроснабжения», «Электрические станции и подстанции», «Электротехнологические установки». Формируемые и контролируемые компетенции (код и наименование) Индикаторы достижения компетенций (код и наименование) Планируемые результаты обучения ОПК-3. Способен использовать методы анализа и моделирования электрических цепей и электрических машин ОПК-3.5. Анализирует установившиеся режимы работы трансформаторов и вращающихся электрических машин различных типов, использует знание их режимов работы и характеристик Знать: основные законы электромеханики; принципы действия, устройство, основные уравнения, характеристики и принципы составления схем замещения трансформаторов и вращающихся электрических машин Уметь: рассчитывать характеристики, составлять схемы замещения электрических машин (моделировать электрические машины) в различных режимах работы и объяснять полученные результаты Владеть: навыками объяснять физические явления при электромеханическом преобразовании энергии и проводить опытное исследование электрических машин по предложенным методикам 3 Третьякова М.Н. Тематическое содержание дисциплины (учебного курса) Раздел, модуль Подраздел, тема Основы электромеханики Основные понятия, законы и принципы электромеханического преобразования энергии. Структура и физические процессы основных электромеханических преобразователей энергии. Трансформаторы. Вращающиеся электрические машины. На решение этих задач отводится 5 ze (180 часа), в том числе 34 часов лекций, 16 часов лабораторных занятий, 16 часов практических занятий и 78 часов самостоятельной Форма отчетности – экзамен. Экзамен – в форме тестирования. Критерии и нормы текущего контроля знаний Формы текущего контроля Условия допуска Критерии и нормы оценки Экспресс-опрос на лекциях №1 ….№17 Допускаются все. 1 бал – при правильном ответе на 1 вопрос. За 17 лекций – максимальное количество баллов равно 17. Подготовка и проведение лабораторного исследования Допускаются все. 5 баллов – подготовлен бланк отчета, даны корректные ответы на вопросы о порядке выполнения работы, программа работы выполнена, построены экспериментальные зависимости. 4 балла – подготовлен бланк отчета, в ответах на вопросы о порядке выполнения работы допущены ошибки, программа работы выполнена, построены экспериментальные зависимости. 3 балла – бланк отчета не подготовлен, в ответах на вопросы о порядке выполнения работы допущены ошибки, программа работы выполнена, построены экспериментальные зависимости. 2 балла – бланк отчета не подготовлен, в ответах на вопросы о порядке выполнения работы допущены ошибки, программа работы выполнена, экспериментальные зависимости не построены. 1 балл – бланк отчета не подготовлен, в ответах на вопросы о порядке выполнения работы допущены ошибки, программа работы выполнена не полностью, экспериментальные зависимости не построены. За 3 работы – максимальное количество баллов равно 15. Оформление и защита отчетов по результатам лабораторных Допускаются все. 6 баллов, из них: 5 баллов – за освоение теоретического материала и корректные ответы на вопросы преподавателя (4 балла – допущены незначительные ошибки, 3 балла – допущены 4 Третьякова М.Н. исследований существенные ошибки, 2 балла – допущены грубые ошибки, 1 балл – теоретический материал не освоен), 1 балл за качественное оформление результатов лабораторной работы. За 3 работы – максимальное количество баллов равно 18. Выполнение индивидуальных заданий на практических занятиях (5 модулей) Допускаются все. За каждое задание модуля – 1 балл. 10 баллов – за 1 модуль. 50 баллов – за выполнение практических заданий модуля. 5 Третьякова М.Н. Лекция 1 1. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Цель лекции – познакомиться с предметом электромеханики и сущностью электромеханического преобразования энергии. Задачи лекции: 1. Изучить основные понятия, связанные с электромеханикой и электромеханическим преобразованием энергии. 2. Изучить основные законы и принципы электромеханического преобразования энергии. 3. Познакомиться с классификацией электромеханических преобразователей энергии. 1.1. Основные понятия Возможность преобразования энергии в форму удобную для практического применения составляет основу современных технологий. Преобразование энергии представляет собой превращение энергии из одной физической формы в другую. Одним из наиболее распространенных видов преобразования энергии является электромеханическое преобразование, изучением и использованием которого занимается электромеханика. Механическая мощность – это работа, совершаемая в единицу времени силой, точка приложения которой перемещается. Электрическая мощность – это работа, совершаемая в единицу времени путем воздействия, на заряды, движущиеся в электрических полях. Направленно движущиеся заряды представляют собой электрический ток. Поэтому при электромеханическом преобразовании имеет место как взаимодействие между движущимися зарядами (и/или электрическим током), так и их перемещение под действием сил неэлектрического типа. Электромеханика – это область науки и техники, изучающая электрические, магнитные и механические взаимодействия с целью преобразования электрической энергии в механическую или, наоборот, механической в электрическую. Техническим средством, выполняющим электромеханическое преобразование энергии, является электромеханический преобразователь (ЭМП) энергии. Синоним понятия «электромеханический преобразователь» – «электрическая машина». Электрическая машина – это электромеханический преобразователь энергии, работа которого основана на электрических, механических и магнитных взаимодействиях. Таким образом, электромеханический преобразователь или электрическая машина – это устройство, в котором может осуществляться преобразование механической, электрической и магнитной энергии. Основными электрическими машинами, различающимися видом преобразования электрической, механической и магнитной энергии являются: • электрические генераторы; • электрические двигатели; • трансформаторы. Это наиболее распространенные типы ЭМП. Поэтому их устройство и принцип работы будут изучаться в данном курсе. Помимо них существуют также специальные электромеханические преобразователи, предназначенные для других целей (сельсин, электромашинный усилитель и др.). 6 Третьякова М.Н. Исторические вехи в развитии электромеханики: 1821 – создание первого электрического двигателя М.Фарадеем. 1831 – открытие М. Фарадеем закона электромагнитной индукции. 1832 – создание первого генератора братьями Пикси. 1834 – разработка Б.С. Якоби двигателя постоянного, который мог использоваться в качестве электропривода. 1873 – создание В. Сименсом машины переменного тока. 1876 – изобретение П.Н. Яблочков трансформатора с разомкнутым сердечником. 1884 – разработка братьями Гопкинсонами трансформатора с замкнутым сердечником. 1885. – разработка М. Дэри идеи современного трансформатора. 1889 – изобретение М. О. Доливо-Добровольским трехфазной системы переменного тока С этого момента – повсеместное использование электромеханических преобразователей. ХХ век – период становления и широкого распространения электромеханики. Современные ЭМП имеют всевозможное конструктивное исполнение. Они выполняются на различные роды напряжения и тока. При этом могут реализовывать разнообразные виды механического движения (вращательное, колебательное, линейное и др.). Диапазон мощностей также является весьма широким и составляет интервал от 10 −17 до 10 9 Вт. В настоящее время ЭМП объединяются в единые конструкции с электронными устройствами управления и образуют электромеханотронные системы. Современное электромашиностроение производит различные виды ЭМП, удовлетворяя всевозможные потребности хозяйственной и бытовой деятельности человечества. Научно-технический прогресс в электромашиностроении является важной предпосылкой для прогресса во многих отраслях науки и техники. 1.2. Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии Основу электромеханического преобразования энергии составляет взаимодействие электрических и магнитных полей. В зависимости от того, в каком – электрическом или магнитном поле происходит преобразования энергии, ЭМП бывают индуктивные и емкостные. В емкостных машинах в качестве посредника при преобразовании энергии выступает электрическое поле. В индуктивных – магнитное. В современных электрических машинах преобразование энергии осуществляется в магнитном поле, поэтому они являются индуктивными. Емкостные электрические машины пока не нашли практического применения из-за сложности создания достаточно мощного электрического поля. Поскольку в практике эти машины до сих пор не применяются, поэтому далее будут рассматриваться только индуктивные преобразователи. Преобразование энергии в индуктивных машинах осуществляется в соответствии с действующими физическими законами между электрическими, магнитными и механическими процессами. Наиболее важными для понимания электромеханического преобразования энергии являются, законы электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия, отражающими проявления одного из четырех, фундаментальных физических взаимодействий – электромагнитного. Электромагнитное взаимодействие в первую очередь проявляется в том, что при движении зарядов создается магнитное поле. При наличии электрического тока в проводнике вокруг него есть магнитное поле. 7 Третьякова М.Н. Направление силовых линий магнитного поля вокруг отдельного проводника с током определяется по правилу «правого винта» или «буравчика» (рис.1.1,a), вокруг контура с током – также по правилу «правого винта» или его модификации – правилу «правой ладони» (рис.1.1.,б). а) б) Рис.1.1. Правила «буравчика» (а) и правило правой ладони (б) Закон электромагнитной индукции устанавливает закономерность возникновения электродвижущей силы (ЭДС) в электрических контурах или отдельных проводниках, находящихся в магнитном поле. При определении ЭДС, индуцированных в отдельных проводниках обмоток ЭМП, этот закон используют в формулировке Фарадея. В этом случае закон электромагнитной индукции устанавливает, что в проводнике длиной 𝑙, движущемся в однородном магнитном поле со скоростью 𝑣 𝑎 перпендикулярно линиям индукции магнитной индукции 𝐵 в точке расположения проводника, то в нем индуцируется ЭДС, равная 𝑒 𝑎 = 𝐵 ∙ 𝑙 ∙ 𝑣 𝑎 (1.1) Для определения направление этой ЭДС удобно использовать мнемоническое правило – правило «правой руки». Иллюстрация положения руки, используемого для данного правила, показано на рис. 2.1,а. а) б) Рис.1.2. Правила «правой руки» (а) и «левой руки» (б) Для определения ЭДС, индуцированной в отдельном электрическом контуре, удобнее пользоваться законом электромагнитной индукции в формулировке Джеймса Клерка Максвелла (английский физик). Согласно этой формулировке величина наводимой ЭДС зависит от скорости (с обратным знаком) изменения магнитного потока Ф, сцепляющегося с контуром: 𝑒 к = − 𝑑Ψ 𝑑𝑡 = − 𝑑𝑤∙Φ 𝑑𝑡 = −𝑤 ∙ 𝑑Φ 𝑑𝑡 (1.2) 8 Третьякова М.Н. В контуре, состоящем из 𝑤 витков, ЭДС определяется скоростью (с обратным знаком) изменения потокосцепления с ним, которое равно Ψ = 𝑤 ∙ Φ, если все силовые линии потока Φ сцепляются со всеми витками контура. При более сложном распределении потока потокосцепление Ψ определяется с учетом реальной картины магнитного поля. Закон электромагнитного взаимодействия устанавливает закономерность возникновения электромагнитной (или электродинамической) силы, действующей на проводник с электрическим током или на тело из ферромагнитного материала, расположенные в магнитном поле. Согласно закону электромагнитного взаимодействия, на проводник длиной 𝑙 с электрическим током 𝑖, расположенном в однородном магнитном поле с индукцией 𝐵, действует электромагнитная сила 𝐹 эм . Направление силы может быть определено по правилу «левой руки» (рис.2,б). Величина – по закону Ампера: 𝐹 эм = 𝐵 ∙ 𝑙 ∙ 𝑖. (1.3) В магнитном поле электромагнитные силы действуют не только на проводники с током, но и на ферромагнитные тела. Они проявляются в виде сил магнитного тяжения. Удельное значение электромагнитной силы, действующей на единицу ферромагнитной поверхности, равно 𝐹 эм = 𝐵 п ∙𝐻 п 2 = 𝐵 п 2 2𝜇 0 , (1.4) где 𝐵 п и 𝐻 п – магнитные индукция и напряженность на поверхности ферромагнитного тела соответственно; 𝜇 0 – магнитная проницаемость немагнитной среды (обычно воздуха), окружающей ферромагнитное тело. Индукция и напряженность поля на поверхности ферромагнитного тела имеют направление действия, т.е. они представляют собой векторные величины. Векторы 𝐵 п и 𝐻 п всегда направлены нормально к поверхности. Направление удельной силы магнитного тяжения совпадает с нормалью к поверхности ферромагнитного тела, направленной в сторону среды с меньшей магнитной проницаемостью. 1.3. Механизм преобразования энергии в элементарной электрической машине Рассмотрим элементарную электрическую машину индуктивного типа, у которой обмотка якоря состоит из одного проводника (рис.1.3,а). а) б) Рис.1.3. Элементарная электрическая машина в режиме генератора (а) и в режиме двигателя (б) а) преобразование механической мощности в электрическую При движении проводника в магнитном поле, создаваемым индуктором, перпендикулярно силовым линиям индукции 𝐵, например, слева направо (или справа налево), в нем (в якоре) будет наводиться ЭДС 𝑒 𝑎 . Направление ЭДС определяется в соответствии с правилом «правой руки». Величина – по формуле (1.1). ЭМП преобразует механическую энергию движения проводника в магнитном поле – в электрическую. При замыкании проводника на внешнее электрическое сопротивление по нему будет протекать ток 𝑖, совпадающий по направление с ЭДС. Вокруг проводника с током создается свое 9 Третьякова М.Н. магнитное поле. Взаимодействие поля возбуждения и поля проводника приводят к возникновению электромагнитной силы, действующей на проводник. Направление силы определяется в соответствии с правилом «левой руки». Величина – по выражению (1.3). Очевидно, что сила 𝐹 эм , возникающая в ходе электромагнитных взаимодействий имеет встречное направление с механической силой 𝐹, движущей проводник со скоростью 𝑣 𝑎 в магнитном поле машины. В установившемся режиме, т.е. при движении проводника с постоянной скоростью эти силы равны 𝐹 эм = 𝐹. Следовательно, равны и механические мощности, создаваемые этими силами: 𝐹 эм ∙ 𝑣 𝑎 = 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 (1.5) Из выражения (1.1) скорость движения проводника равна 𝑣 𝑎 = 𝑒 𝑎 𝐵∙𝑙 (1.6) Подставим в равенство (1.5) значения силы 𝐹 эм из формулы (1.3) и скорости 𝑣 𝑎 из (1.6). Получим 𝑒 𝑎 ∙ 𝑖 = 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 (1.7) Выражение (1.7) наглядно демонстрирует, что в генераторе механическая мощность 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 преобразуется в электрическую 𝑒 𝑎 ∙ 𝑖. б) Преобразование электрической мощности в механическую Предположим, что при подключении проводника, находящегося в магнитном поле, к постороннему источнику по нему протекает ток 𝑖, имеющий направление как показано на рис.1.3, б – «от нас». Вокруг проводника с током образуется магнитное поле. Взаимодействие полей возбуждения и проводника создают электромагнитную силу 𝐹 эм , направленную в соответствии с правилом «левой руки» и приводящую проводник в движение 𝑣 𝑎 . В проводнике, движущимся в магнитном поле наводится ЭДС, направление которой находится по правилу «правой руки» 𝑒 пр . Происходит преобразование электрической энергии в механическую: 𝑒 𝑎 ∙ 𝑖 = 𝐵 ∙ 𝑙 ∙ 𝑣 𝑎 ∙ 𝑖 = 𝐹 эм ∙ 𝑣 𝑎 = 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 (1.8) Элементарная электрическая машина при этом функционирует в режиме двигателя. Выражение (1.7) и (1.8) показывают, что в режимах и генератора и двигателя происходит электромеханическое преобразование электрической энергии. 1.4. Фундаментальные принципы электромеханического преобразования энергии На основе анализа процессов в элементарной электрической машине могут быть сформулированы два фундаментальных принципа электромеханического преобразования энергии. Принцип обратимости. ЭМП может реализовать как прямое, так и обратное преобразование энергии, то есть работать как электрическим генератором, так и механическим двигателем. Этот принцип обусловлен универсальностью магнитного поля как энергоносителя. Принцип обратимости был установлен Э.Х. Ленцем. Принцип саморегулирования. Электромагнитные и механические процессы в ЭМП так регулируют свое взаимодействие, что количество энергии, подаваемой в ЭМП на преобразование, соответствует количеству отдаваемой энергии. Величина преобразованной энергии в ЭМП определяется механической мощностью 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 : • У генератора это – подводимая к валу механическая мощность. Количество вырабатываемой электрической мощности зависит от количества подаваемой на вал механической мощности. • У двигателя это – механическая мощность, снимаемая с вала и отдаваемая подсоединенному к валу механизму. Из сети забирается столько электрической мощности, сколько требуется механической мощности для нагрузки на валу 𝐹 эм ∙ 𝑣 𝑎 = 𝐹 ∙ 𝑣 𝑎 10 Третьякова М.Н. Механизм саморегулирования обусловлен физическими свойствами электромагнитной мощности, возникающей в процессе электромеханического преобразования энергии. Способность саморегулирования взаимосвязанных магнитных ( 𝐵), механических (𝑣 𝑎 ) и электрических ( 𝑖 ) процессов является внутренним суверенным свойством ЭМП и обеспечивается автоматически, без посторонних воздействий. В реальном ЭМП количество энергии, полученной после преобразования, всегда меньше энергии, подаваемой для преобразования, вследствие неизбежных потерь, обусловленных физической сущностью трех взаимодействующих физических процессов и выделением тепла в конструктивных элементах ЭМП. Принцип саморегулирования представляет собой проявление общего закона сохранения энергии в ЭМП. 1.5. Структура ЭМП Рассмотренные «элементарные» электромеханические преобразователи вскрывают сущность использования в них законов электромагнитного взаимодействия. Существует достаточно большое разнообразие конструктивных исполнений электрических машин, которое определяется многообразием их типов и функциональных возможностей. При этом все вращающиеся ЭМП имеют такие конструктивные структуры, которые функционально являются типовыми. Прежде всего, в структурах всех ЭМП выделяют активные и конструктивные элементы. К активным относят такие части электрических машин, в которых непосредственно воспроизводятся основные физические процессы, обеспечивающие электромеханическое преобразование энергии. Это – в первую очередь магнитопроводы и токопроводы. В них локализуются магнитные и электрические процессы соответственно. Магнито- и токопроводы занимают в ЭМП объем, называемый активным. Он составляет центральную часть ЭМП. В этом объеме концентрируется преобразуемая электромагнитная энергия. Обычно активная часть составляет 85-95 % от общего объема ЭМП и определяет его основные габаритные размеры. Остальную часть составляют конструктивные элементы структуры ЭМП. К ним относятся корпус, торцевые щиты, подшипники, различные элементы крепления и т. п. электрических машин. Типовая структура ЭМП показана на рис.1.4. 1 – сердечник статора; 2 – обмотка статора; 3 – обмотка ротора; 4 – сердечник ротора; 5 – подшипниковый щит; 6 – подшипник; 7 – вал; 8 – корпус (станина) Рис. 1.4. Типовая схема ЭМП Магнитопровод служит для проведения магнитного потока. Его основными элементами являются сердечники статора и ротора, а также воздушный зазор между ними. Сердечники магнитопроводов обычно выполняют из электротехнических сталей, чтобы 11 Третьякова М.Н. облегчить прохождение по ним магнитных потоков. При работе ЭМП магнитный поток возбуждения является постоянным (статическим) по отношению к индуктору и переменным (динамическим) по отношению к якорю. Эти особенности учитываются при выборе конструкции отдельных элементов магнитопровода. Кроме того, принимается во внимание, что все ферромагнитные элементы магнитопровода должны обладать собственной прочностью и обеспечивать надежное укрепление на них обмоток и других конструктивных элементов ЭМП. Поэтому там, где это возможно, элементы магнитопровода, через которые проходит статический магнитный поток, выполняются как монолитные стальные конструкции, иногда проходящие специальную упрочняющую обработку – поковку. Участки магнитопровода, через которые проходит переменный магнитный поток, набираются из штампованных листов электротехнической стали толщиной от 0,25 до 0,5 мм, электрически изолированных друг от друга. Делается это с целью уменьшения вихревых токов и вызванных ими потерь энергии при перемагничивании. При этом листы стали ориентируют таким образом, чтобы магнитный поток замыкался вдоль них. В этом случае вихревые токи будут замыкаться поперек листов, по пути наибольшего электрического сопротивления. Изоляция между листами препятствует также развитию вихревых токов. Конструкция участков магнитопровода, набранных из штампованных элементов заданной конфигурации, должна обладать достаточной механической прочностью и монолитностью. Последнее обеспечивается установкой специальных стягивающих и прессующих устройств. Сборка участков магнитопровода из штампованных элементов листовой стали иногда используются по технологическим соображениям, т.е. в случаях, когда по участку магнитопровода хотя и проходит статический магнитный поток, но конфигурация участка оказывается очень сложной. Использование других технологий обработки таких участков может оказаться неэффективным. Удобнее бывает в подобных случаях штамповать стальные листы на штампе сложной конфигурации. При этом они могут иметь большую толщину (до 2 мм) и не изолироваться друг от друга. Токопроводы ЭМП – это различного рода электрические обмотки (или электрические контуры), предназначенные для прохождения по ним электрического тока. Они, как правило, изготавливаются из высоко электропроводных материалов (медь, алюминий). Необходимое для проведения тока сечение токопровода часто набирается из отдельных проводников, включенных параллельно и изолированных друг от друга. Такой прием, чаще используемый для обмоток переменного тока, с одной стороны, это позволяет упростить технологию формирования необходимой конфигурации витков или секций обмотки, поскольку они становятся менее жесткими, а с другой – способствует более равномерному распределению переменного тока по сечению токопровода. Различают два типа обмоток: сосредоточенные и распределенные. К первому типу относятся обмотки, составленные из одинаковых (или почти одинаковых) витков, намотанных на сердечник какого-либо элемента магнитопровода. Ко второму – обмотки, распределенные на активных поверхностях статора или ротора и уложенные в специальные пазы. Токопроводы, как правило, электрически изолируются от магнитопроводов. Для нормальной работы ЭМП обмотки должны обладать определенной электрической прочностью и нагревостойкостью. Электрическая прочность изоляции характеризуется значением допустимой электрической напряженности проводника, нагревостойкость – допустимым уровнем его нагревания и перепадом температуры по толщине изоляционной конструкции. Электрическая прочность и нагревостойкость изоляции как характеристики качества обмоток нормируются государственными стандартами и зависят от свойств используемых электроизоляционных материалов. Поскольку токопроводы обтекаются током и подвергаются при этом воздействию электромагнитных сил, а кроме того, и действию 12 Третьякова М.Н. центробежных сил, если они расположены на вращающемся роторе, то необходимо предусматривать их надежное крепление во избежание повреждения. Крепление обмоток обеспечивается с помощью различного рода бандажей или бандажных колец, накладываемых на доступные участки обмоток. Части обмоток, находящиеся в пазах, закрепляются пазовыми клиньями. Таким образом, структуру активной зоны ЭМП в обобщенной форме можно представить составленной из магнито- и токопроводов, разделенных электрической и тепловой изоляцией. Для надежного закрепления и обеспечения надлежащих условий функционирования элементов активной зоны используются так называемые конструктивные элементы: корпус и торцевые щиты ЭМП, подшипниковые узлы, различные крепежные элементы и т. п. В структуре ЭМП выделяют так называемые торцевые или лобовые зоны. В таких зонах обычно размещаются элементы обмоток, выполняющие функцию соединения в необходимой последовательности ее активных проводников и называемые лобовыми соединениями. Там же обычно размещают детали крепления сердечников магнитопроводов, различного рода вентиляторы и т. п. Ограничивается это пространство торцевыми щитами, которые вместе с корпусом, где размещаются активные элементы, архитектурно формируют общий вид и габаритные размеры ЭМП. Часто в торцевых щитах устанавливают подшипники вала ЭМП. В машинах очень большой мощности эти подшипники иногда делают выносными, то есть располагают вне корпуса. 1.6. Классификация электрических машин Основной тип классификации электрических машин: • по роду тока; • принципу действия. По роду тока ЭМП делятся на машины переменного и постоянного тока (рис.1.5). Рис.1.5. Классификация электрических машин Машины постоянного тока в большинстве случаев выполняются с коллектором. Хотя сейчас широкое распространение получают электрические машины, которые имеют такие же характеристики, как и машины постоянного тока, но не имеющие коллектора. К ним относятся, например, вентильные двигатели, которые конструктивно схожи с машинами переменного тока (с синхронными двигателями). Машины переменного тока бывают двух основных типов: синхронные и асинхронные. Работа этих ЭМП основана на применение кругового вращающегося поля. Существуют также и коллекторные асинхронные двигатели переменного тока, которые из-за не самых лучших технико-экономических показателей применяются сравнительно редко (например, однофазные коллекторные асинхронные двигатели для ручного инструмента). К электрическим машинам переменного тока относятся трансформаторы. Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, в котором нет вращающихся частей, следовательно, и не подводится и не отдается механическая мощность. Однако физические процессы в трансформаторах, аналогичны тем, что 13 Третьякова М.Н. происходят во вращающихся электрических машинах. Можно считать, что здесь также имеют место электрические, магнитные и «механические» взаимодействия. «Механическое» движение в данном случае совершают электрические заряженные частицы в обмотках трансформатора, находящиеся в магнитном поле. Наличие магнитного поля, электрических зарядов, движущихся в магнитном поле (переменный электрический ток в обмотках), позволяет осуществлять с помощью трансформаторов преобразование энергии одного напряжения в электрическую энергию другого напряжения. Уравнения, описывающие эти преобразования аналогичны тем, что применяются во вращающихся электрических машинах. Таким образом, трансформаторы относятся к ЭМП и будут рассматриваться в данном курсе. Выводы 1. Электромеханическое преобразование энергии основано на электрических, механических и магнитных взаимодействиях, осуществляемых посредством электрических машин. 2. Работа электромеханических преобразователей энергии основана на использовании законов электромагнитной индукции и электромагнитного взаимодействия. 3. При функционировании электрических машин проявляются два фундаментальных принципа: принцип обратимости и принцип саморегулирования электромеханических преобразователей энергии. 4. Все имеющиеся ЭМП относятся либо к вращающимся машинам постоянного или переменного тока, либо к трансформаторам. Контрольные вопросы 1. Что изучает электромеханика? 2. Что понимается под электромеханическим преобразователем? 3. Какие виды электромеханических преобразователей являются наиболее распространенными? 4. Какие научные открытия внесли существенный вклад в развитие электромеханики? 5. В каком направлении развивается современная электромеханика? 6. Какие бывают ЭМП в зависимости от вида поля, в котором происходит преобразование энергии? 7. Какие законы являются наиболее важными для электромеханического преобразования энергии? 8. Сформулируйте закон электромагнитной индукции? 9. Сформулируйте закон электромагнитного взаимодействия? 10. С какой целью применяются правила «правой руки» и «левой руки»? 11. Назовите основные фундаментальные принципы электромеханического преобразования энергии? 12. Сформулируйте сущность принципа обратимости ЭМП? 13. Сформулируйте принцип саморегулирования ЭМП? 14. Какие элементы выделяют в структурах ЭМП? 15. Что понимается под активной частью ЭМП? 16. Что относится к конструктивным элементам ЭМП? 17. Что представляют собой и для чего предназначены магнитопроводы? 18. Что представляют собой и для чего предназначены токопроводы? 19. Какого рода ток протекает по обмоткам трансформаторов? 20. Почему трансформаторы относятся к электрическим машинам? |