Электрические машины конспект лекций
..pdfФедеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«Пермский государственный технический университет»
Н. В. Шулаков
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ
Конспект лекций
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
Издательство Пермского государственного технического университета
2008
ÓÄÊ 621.313 (07) 0-75 Ø95
Рецензенты:
ä-ð òåõí. íàóê, ïðîô. Ф. Н. Сарапулов (Уральский государственный технический университет);
ä-ð òåõí. íàóê, ïðîô. Е. Ф. Беляев (Пермский государственный технический университет)
Шулаков, Н. В.
Ш95 Электрические машины: конспект лекций / Н. В. Шулаков.— Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008.— 325 с.
ISBN 978-5-88151-985-8
Изложены основные вопросы теории и даны сведения о принципе действия, конструктивном исполнении и особенностях работы электриче- ских машин и трансформаторов, применяемых в различных отраслях техники.
Предназначено для студентов очного и заочного обучения специальностей «Электромеханика» и «Автоматизированный электропривод и электротехнические комплексы».
ÓÄÊ 621.313 (07) 0-75
ISBN 978-5-88151-985-8 |
© ГОУ ВПО «Пермский |
|
государственный |
|
технический университет», 2008 |
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие........................................................................................... |
5 |
|
Введение................................................................................................. |
|
6 |
|
Ð À Ç Ä Å Ë I |
|
|
ТРАНСФОРМАТОРЫ |
|
Лекция 1. |
Принцип действия и холостой ход трансформатора ..... |
11 |
Лекция 2. |
Работа трансформатора под нагрузкой ........................... |
21 |
Лекция 3. |
Определение параметров схемы замещения .................. |
28 |
Лекция 4. |
Трансформирование трехфазного тока ........................... |
43 |
Лекция 5. |
Переходные процессы ...................................................... |
61 |
|
Ð À Ç Ä Å Ë I I |
|
|
АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ |
|
Лекция 6. |
Принцип действия асинхронного двигателя .................. |
73 |
Лекция 7. |
Электродвижущие силы обмоток двигателя. |
|
|
Работа роторной цепи при нагрузке ................................ |
83 |
Лекция 8. |
Основные уравнения и схемы замещения двигателя .... |
92 |
Лекция 9. |
Вращающий момент ......................................................... |
101 |
Лекция 10. |
Пуск и торможение асинхронных двигателей ............... |
112 |
Лекция 11. |
Регулирование скорости ................................................... |
124 |
|
Ð À Ç Ä Å Ë I I I |
|
|
СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ |
|
Лекция 12. |
Принцип действия и основные явления при работе |
|
|
синхронных машин ........................................................... |
147 |
Лекция 13. |
Реакция якоря синхронной машины ............................... |
157 |
3
Лекция 14. Векторные диаграммы генератора .................................. |
166 |
Лекция 15. Параллельная работа синхронного генератора |
|
с сетью ................................................................................ |
178 |
Лекция 16. Мощность и электромагнитный момент. |
|
Статическая устойчивость................................................ |
186 |
Лекция 17. Режимы работы генератора при параллельном |
|
включении с сетью ............................................................ |
194 |
Лекция 18. Синхронный двигатель ..................................................... |
199 |
Лекция 19. Понятие о переходных процессах |
|
в синхронных машинах .................................................... |
216 |
Ð À Ç Ä Å Ë I V |
|
МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА |
|
Лекция 20. Принцип действия генератора постоянного тока .......... |
227 |
Лекция 21. Магнитное поле машин постоянного тока ..................... |
239 |
Лекция 22. Коммутация в машинах постоянного тока ..................... |
249 |
Лекция 23. Генераторы постоянного тока.......................................... |
255 |
Лекция 24. Двигатели постоянного тока ............................................ |
266 |
Лекция 25. Управление двигателями постоянного тока ................... |
276 |
Лекция 26. Универсальный коллекторный двигатель ...................... |
304 |
Лекция 27. Нагревание и режимы нагрузки электрических |
|
машин ................................................................................. |
310 |
Лекция 28. Режимы нагрузки электрических машин ........................ |
316 |
Библиографический список.................................................................. |
324 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Пособие написано по материалам лекций, читаемых автором в ПГТУ студентам специальностей «Электромеханика» и «Горная электромеханика», и соответствует программе общего курса электрических машин. Порядок изложения материала подобен порядку, принятому в большинстве учебников по электрическим машинам для студентов электромеханических специальностей. Рассмотрены основные вопросы общей теории, описание конструкций и анализ эксплуатационных свойств трансформаторов, асинхронных машин, синхронных машин и машин постоянного тока.
При изложении материала пособия основной упор сделан на раскрытие физической сущности явлений и процессов, определяющих работу трансформаторов и электрических машин.
Для самопроверки в пособии даны вопросы с несколькими вариантами ответа, из которых один правильный. Студент, выбрав ответ, должен сверить его с «Ответами на вопросы для самопроверки», помещенными в конце каждого раздела. Если ответ неверен, необходимо вновь повторить и продумать пройденный раздел, а не искать правильный ответ в «Пояснениях к вопросам». В тех случаях, когда ответы на вопрос не даны, студент должен свой ответ сверить с ответом в пояснениях, где он найдет обоснование правильных ответов на те вопросы, к которым дано несколько ответов.
5
ВВЕДЕНИЕ
Электрические машины в современной технике являются основными источниками и потребителями электроэнергии. Другими словами, почти вся электроэнергия, вырабатываемая на Земле, генерируется электрическими машинами — синхронными генераторами, и львиная е¸ доля потребляется электрическими двигателями с целью преобразования ее в механическую энергию.
Электрические машины — часть области науки и техники, называемой электромеханикой. Е¸ теоретической базой является общая теория электромеханического преобразования энергии. Электрические машины являются по существу и часто называются электромеханическими преобразователями энергии.
Электромеханика включает и изучает следующие разделы:
•электрические машины;
•электрические аппараты;
•электрический привод.
Причем электрические машины и аппараты являются составными элементами, без которых не могут быть созданы электропривод и системы автоматического регулирования, без них невозможны автоматика и телемеханика1. Это еще раз подчеркивает роль электрических машин в технике и важность данного курса.
Электрические аппараты составляют предмет отдельного курса.
В данном курсе электрических машин рассматриваются конструкции и вопросы теории трансформаторов: преобразователей напряжения, электродвигателей – преобразователей элек-
1Телемеханика (от греч. tele — вдаль, далеко) — область техники, занимающаяся дистанционным управлением, регулированием на расстоянии.
6
трической энергии в механическую, электрических генераторов
– преобразователей механической энергии в электрическую, вращающихся преобразователей электроэнергии с одними параметрами (род тока, напряжение, частота и др.) в электроэнергию с другими параметрами.
Следует отметить, что трансформатор не является электри- ческой машиной, в нем не осуществляется электромеханическое преобразование энергии. Трансформатор – это статический электромагнитный аппарат для преобразования величины напряжения переменного тока («статический» означает без механического движения).
Однако мы начинаем изучение электрических машин именно с трансформатора, потому что происходящие в нем физиче- ские процессы имеют много общего с процессами во вращающихся машинах. Их объединяет то, что принцип работы и трансформатора, и электрической машины основан на явлении электромагнитной индукции. На базе теории трансформатора в дальнейшем удобно, наглядно излагается теория электриче- ских машин переменного тока.
Курс содержит следующие разделы:
1.Трансформаторы.
2.Асинхронные машины.
3.Синхронные машины.
4.Машины постоянного тока.
5.Нагревание и режимы нагрузки в электрических машинах. Трансформаторы широко применяют для преобразования
напряжения: в системах передачи и распределения электриче- ской энергии (силовые трансформаторы), выпрямительных установках, устройствах связи, автоматики и вычислительной техники, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы) и функциональных преобразованиях (поворотные 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
7
èпр. 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 электриче- ских приводах большой мощности применяют также синхронные электродвигатели. В устройствах автоматики широко используют различные синхронные машины малой мощности (реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, шаговые, индукторные и пр.).
Машины постоянного тока применяют в качестве генераторов и электродвигателей в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах: железнодорожный и морской транспорт, прокатные станы, электротрансмиссии большегрузных автомобилей, грузоподъемные
èземлеройные машины, сложные металлообрабатывающие станки и пр., а также в тех случаях, когда источниками электри- ческой энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигатели, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т. д.).
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 вытесняются генераторами переменного тока, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.
Âсистемах автоматического регулирования машины постоянного тока широко используют в качестве исполнительных двигателей и тахогенераторов.
РАЗДЕЛ I
ТРАНСФОРМАТОРЫ