Классификация электрических машин
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Ангарский государственный технический университет»
Факультет технической кибернетики
Кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий»
О.В. Арсентьев, Ю.В. Коновалов
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Учебное пособие
Для бакалавров всех форм обучения направления подготовки
Электроэнергетика и электротехника»
По дисциплине «Электрические машины».
Ангарск 2016
Электрические машины. Учебное пособие для бакалавров по направлению подготовки 14.03.02 «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Электрические машины– г. Ангарск, 2016, - 107 с.
В пособии даны краткие теоретические сведения о конструкции, принципе действия электрических машин. Изложены методики расчетов магнитной характеристики машины постоянного тока, внешней и энергетической характеристик трансформатора, определение группы соединений обмоток силового трансформатора, U–образной характеристики синхронной машины. Пособие содержит: примеры расчетов, варианты заданий и контрольные вопросы.
Предназначено для бакалавров очной и заочной форм обучения.
Рецензенты:
профессор кафедры «Электропривод и электрический транспорт», д.т.н. М.П. Дунаев, «Иркутский национальный исследовательский технический университет»;
|
|
|
заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов», к.т.н. Н.С. Благодарный, «Ангарский государственный технический университет».
Рекомендовано учебно-методическим советом факультета технической кибернетики Ангарского государственного технического университета в качестве учебного пособия по направлению подготовки 13.03.02 - «Электроэнергетика и электротехника»,
Олег Васильевич Арсентьев
Юрий Васильевич Коновалов
Электрические машины
Учебное пособие
© Ангарский государственный технический университет
Кафедра ЭПП
Введение
Электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных машин, механизмов, технологического оборудования, современных средств транспорта, связи и др. Они вырабатывают электрическую энергию, осуществляют высокоэкономичное преобразование ее в механическую, выполняют разнообразные функции по преобразованию и усилению различных сигналов в системах автоматического регулирования и управления.
Электрические машины широко применяются во всех отраслях народного хозяйства. Их преимущества — высокий КПД, достигающий в мощных электрических машинах 95...99%, сравнительно малая масса и габаритные размеры, а также экономное использование материалов. Электрические машины могут быть выполнены на различные мощности (от долей ватта до сотен мегаватт), частоты вращения и напряжения. Они характеризуются высокой надежностью и долговечностью, простотой управления и обслуживания, удобством подвода и отвода энергии, небольшой стоимостью при массовом и крупносерийном производстве и являются экологически чистыми.
|
|
|
Теоретическим фундаментом для развития электромашиностроения послужили открытие М. Фарадеем закона электромагнитной индукции и работы Д. Максвелла и Э. Ленца. На основании теоретических исследований этих ученых в середине XIX в. появились первые образцы электрических машин и трансформаторов. Большие заслуги в разработке первых образцов электрических машин и трансформаторов принадлежат выдающимся русским ученым и изобретателям, среди которых особенно можно выделить Б. С. Якоби, П. Н. Яблочкова и М. О. Доливо-Добровольского. В конце XIX и начале XX в. были известны практически все виды электрических машин и в основном создана их теория.
Двадцатое столетие характеризуется бурным развитием электромашиностроения: непрерывно возрастают как количество выпускаемых электрических машин, так и их размеры, и мощность; совершенствуется конструкция электрических машин; повышается их надежность и снижается масса, приходящаяся на единицу мощности. Развертывается массовое производство электрических микромашин для различных автоматических устройств и электробытовых приборов.
|
|
|
Электрические машины составляют основу электроэнергетики. Различные типы электромеханических объектов вырабатывают электрическую энергию, при передаче от места генерирования до потребителя изменяют ее параметры, преобразуют в другие виды энергии.
В основном, при производстве и использовании электрической энергии необходимо преобразовывать механическую энергию в электрическую, электрическую в механическую, а также электрическую энергию одного вида тока в энергию другого рода тока. Такое преобразование осуществляется при помощи электромеханических преобразователей (электрических машин).
Изучение теории и конструкции электрических машин невозможно без знания истории их развития. В ней можно выделить ряд характерных этапов: появление первых электрических машин; начальный этап их промышленного использования; изобретение первых трехфазных электрических машин; развитие теории электрических машин, методов их расчета и проектирования, появление в связи с этим новых типов электрических машин; этап разработки более совершенной технологии, создания новых изоляционных и магнитных материалов и повышения на этой базе мощности, надежности и экономичности машин; возникновение новых отраслей в электромашиностроении в связи с широким развитием электроавтоматики, авиации, космической техники и других специальных областей.
|
|
|
Электрические машины — это электромеханические преобразователи, в которых осуществляется преобразование электрической энергии в механическую или механической в электрическую. Основное отличие электрических машин от других преобразователей в том, что они обратимы, т. е. одна и та же машина может работать в режиме двигателя, преобразуя электрическую энергию в механическую, и в режиме генератора, преобразуя механическую энергию в электрическую.
В настоящее время отечественной промышленностью изготовляются асинхронные двигатели мощностью от 0,12 до 400 кВт и мощностью от 400 до 1 000 кВт, синхронные генераторы мощностью от 5 до 50 кВт серии ЕСС и мощностью от 125 до 800 кВт серии СГ2, синхронные двигатели мощностью от 132 до 1 000 кВт СД2 и СД32, машины постоянного тока серии 4П мощностью от 1 000 кВт.
Машины этих серий обладают высокими технико-экономическими показателями, находящимися на уровне современных серий ведущих зарубежных фирм. Новые серии разработаны с учетом международных норм — рекомендаций Международной электротехнической комиссии (МЭК).
Научно-технический прогресс в области электротехнических сталей, изоляционных материалов и обмоточных проводов приводит к тому, что почти все электромашиностроительный фирмы, в том числе электромашиностроительные заводы России, каждые 10— 20 лет обновляют единые серии электрических машин. Так, вместо единой серии 4А, разработаны единые серии АИ, 5А, RA. Раньше новые серии электродвигателей разрабатывались для удовлетворения спроса на внутреннем рынке страны, теперь же все большее внимание уделяется международной стандартизации и мировым тенденциям в развитии машиностроения, для того чтобы выпускаемые электрические машины пользовались спросом на внешнем рынке.
Принципы устройства электрических машин на протяжении последних десятилетий остались в основном теми же, однако коренным образом изменилось их конструктивное оформление, рабочие характеристики и технико-экономические показатели. Наибольший удельный вес в выпуске электрических машин занимают асинхронные двигатели, конструкция которых относительно проста, а трудоемкость изготовления малая.
В настоящее время развитие электрических машин идет по пути уменьшения их массогабаритных размеров, повышения энергетических показателей, улучшения технологичности конструкций, снижения шума и вибраций.
При этом наблюдаются следующие основные тенденции:
• применение утонченной корпусной изоляции и обмоточных проводов с малой толщиной изоляции (главным образом эмаль- проводов), обладающих необходимой механической и электрической прочностью. При этом повышается коэффициент заполнения обмоточного пространства медью и соответственно использование объема машины;
• использование более нагревостойкой изоляции. В начале развития электромашиностроения применялась изоляция класса нагревостойкости А, затем — классов Е и В. В настоящее время наибольшее распространение находит изоляция класса F, а в машинах, работающих в более тяжелых условиях, — изоляция класса нагревостойкости Н;
• применение улучшенных марок электротехнической стали. Широко используемые в настоящее время марки холоднокатаной электротехнической стали обладают большей магнитной проницаемостью и меньшими удельными потерями в сравнении с соответствующими марками горячекатаной стали;
• усовершенствование охлаждения машин путем повышения производительности вентиляторов, уменьшения аэродинамического сопротивления воздухопровода, увеличения поверхности охлаждения отдельных частей обмоток и всей машины за счет ореб- рения корпуса (в закрытых машинах), а также усиления теплопередачи путем лучшего заполнения воздушных прослоек в обмотках пропитывающими лаками и компаундами;
• улучшение конструкции машин с придачей узлам и деталям эстетических и рациональных форм при обеспечении снижения их массы и повышения прочности.
Развитию технического уровня электрических машин способствуют и другие тенденции:
• снижение динамического момента инерции за счет уменьшения объема двигателя, следовательно, и объема вращающейся части двигателя (ротора или якоря), а также путем увеличения отношения длины сердечника ротора или якоря к его диаметру;
• повышение надежности машин, в частности за счет широкого распространения машин закрытого исполнения, в которых для улучшения охлаждения используют обдув наружной поверхности. Значительно повышает надежность электрических машин применение конструкции изоляции с более высокой электрической и механической прочностью и ряд других мероприятий;
• улучшение условий работы двигателей постоянного тока, питаемых от статических преобразователей с относительно высокими значениями пульсации напряжения, при полностью шихтованной магнитной системе, включая станину.
Особо следует отметить повышение технологичности конструкции электрических машин, обусловленное широкой унификацией их узлов и деталей и придание им форм, позволяющих применить прогрессивные технологические процессы и усовершенствованное оборудование — автоматические линии, агрегатные станки, полуавтоматы, конвейеры и т.п.
1. Общие сведения об электрических машинах
Классификация электрических машин
По виду создаваемого в машинах поля, в котором происходит преобразование энергии, электрические машины подразделяются на индуктивные, емкостные и индуктивно-емкостные. Современные широко применяемые в промышленности и других отраслях народного хозяйства электрические машины — индуктивные. Преобразование энергии в них осуществляется в магнитном поле. Емкостные электрические машины, хотя и были изобретены задолго до индуктивных, до сих пор не нашли практического применения из-за сложности создания достаточно мощного электрического поля, в котором происходит преобразование энергии. Индуктивно-емкостные машины появились лишь в последние годы. Преобразование энергии в них происходит в электромагнитном поле, и они объединяют свойства индуктивных и емкостных электрических машин.
Электрические машины классифицируются по назначению, роду тока, принципу действия, мощности, частоте вращения.
Классификация по назначению. Электрические машины по назначению подразделяют на следующие виды.
Электромашинные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Их устанавливают на электрических станциях и различных транспортных установках: автомобилях, самолетах, тепловозах, кораблях, передвижных электростанциях и др. В ряде случаев генераторы используют в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики, измерительной техники и пр.
Электрические двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую; они приводят во вращение различные машины, механизмы и устройства, применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, связи, на транспорте, в военном деле и быту. В современных системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных, регулирующих и программирующих органов.
Электромашинные преобразователи преобразуют переменный ток в постоянный и, наоборот, изменяют значения напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др. В последнее десятилетие роль электромашинных преобразователей существенно уменьшилась вследствие применения статических полупроводниковых преобразователей.
Электромашинные компенсаторы осуществляют генерирование реактивной мощности в электрических установках для улучшения энергетических показателей источников и приемников электрической энергии.
Электромашинные усилители используют для управления объектами большой мощности посредством электрических сигналов малой мощности, подаваемых на их обмотки управления (возбуждения).
Электрические машины небольшой мощности до 600 Вт называют микромашинами. Их широко применяют в автоматических устройствах и в электробытовых приборах. По назначению электрические микромашины автоматических устройств подразделяются на следующие группы.
Силовые микродвигатели приводят во вращение различные механизмы автоматических устройств, самопишущих приборов и пр.
Управляемые (исполнительные) двигатели преобразуют подводимый к ним электрический сигнал в механическое перемещение вала, т. е. отрабатывают определенные команды.
Тахогенераторы преобразуют механическое вращение вала в электрический сигнал — напряжение, пропорциональное частоте вращения вала.
Вращающиеся трансформаторы дают на выходе напряжение, пропорциональное той или иной функции угла поворота ротора, например, синусу или косинусу этого угла или самому углу.
Машины синхронной связи (сельсины, магнесины) осуществляют синхронный и синфазный поворот или вращение нескольких механически не связанных между собой осей.
Микромашины гироскопических приборов (гироскопические двигатели, датчики угла, датчики момента) осуществляют вращение роторов гироскопов с высокой частотой и коррекцию их положения.
Электромашинные преобразователи и усилители преобразуют энергию.
Электрические микромашины первых двух групп часто называют силовыми, а третьей — пятой групп — информационными.
Классификация по роду тока и принципу действия. Электрические машины по роду тока делят на машины переменного и постоянного тока.
Машины переменного тока в зависимости от принципа действия и особенностей электромагнитной системы подразделяют на трансформаторы, асинхронные, синхронные и коллекторные машины.
Трансформаторы широко применяют для преобразования напряжения: в системах передачи и распределения электрической энергии, в выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (вращающиеся трансформаторы).
Асинхронные машины используют главным образом в качестве электрических двигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность позволяют применять их в различных отраслях техники для привода станков, грузоподъемных и землеройных машин, компрессоров, вентиляторов и пр. В системах автоматического регулирования широко используют одно- и двухфазные управляемые асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы, а также сельсины.
Синхронные машины применяют в качестве генераторов переменного тока промышленной частоты на электрических станциях и генераторов повышенной частоты в автономных источниках питания (на кораблях, самолетах и т. п.). В электрических приводах большой мощности используют также синхронные электродвигатели. В устройствах автоматики широко применяют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, индукторные и пр.).
Коллекторные машины переменного тока используют сравнительно редко и главным образом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конструкцию и требуют тщательного ухода. В устройствах автоматики, а также в разного рода электробытовых приборах применяют универсальные коллекторные двигатели, работающие как на постоянном, так и на переменном токе.
Машины постоянного тока применяют главным образом в качестве электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах (железнодорожный и морской транспорт, прокатные станы, электротрансмиссии большегрузных автомобилей, грузоподъемные и землеройные машины, сложные металлообрабатывающие станки и пр.), а также в случаях, когда источниками электрической энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигатели, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т. п.).
Генераторы постоянного тока часто применяют для питания устройств связи, зарядки аккумуляторных батарей, в качестве основных источников питания на- транспортных установках (автомобилях, самолетах, тепловозах, пассажирских вагонах). Однако в последнее время генераторы постоянного тока заменяют генераторами переменного тока, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
В системах автоматического регулирования машины постоянного тока широко используют в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.
Дата добавления: 2019-09-13; просмотров: 583; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!