- •Часть 1
- •Предисловие
- •Введение
- •Основные физические законы функционирования электрических машин
- •Общие вопросы машин постоянного тока
- •2.1. Принцип действия машин постоянного тока
- •2.2. Конструкция машин постоянного тока
- •2.3. Обмотки якоря машин постоянного тока
- •2.3.1. Принципы реализации обмотки якоря и основные понятия
- •2.3.2. Простая петлевая обмотка
- •2.3.3. Простая волновая обмотка
- •2.3.4. Сложная волновая обмотка
- •2.3.5. Сложноволновая обмотка
- •2.4. Эквипотенциальные соединения обмоток якоря
- •2.5. Способы создания магнитного поля или способы возбуждения машин постоянного тока
- •2.6. Эдс якорной обмотки машин постоянного тока
- •2.7. Механический момент на валу машины постоянного тока
- •2.8. Магнитное поле машины постоянного тока, работающей в режиме холостого хода
- •2.9. Магнитное поле нагруженной машины постоянного тока. Реакция якоря
- •2.10. Коммутация обмотки якоря машин постоянного тока
- •Двигатели постоянного тока
- •3.1. Принцип действия двигателей постоянного тока
- •3.2. Основные уравнения двигателя постоянного тока
- •3.3. Потери и коэффициент полезного действия двигателей постоянного тока
- •3.4. Характеристики двигателей постоянного тока
- •3.4.1. Характеристики двигателей с независимым и параллельным возбуждением
- •3.4.2. Характеристики двигателей с последовательным возбуждением
- •3.4.3. Характеристики двигателей постоянного тока смешанного возбуждения
- •3.5. Пуск двигателей постоянного тока
- •3.6. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока
- •3.6.1. Регулирование частоты вращения двигателей с параллельным, независимым и смешанным возбуждением
- •3.6.2. Регулирование частоты вращения двигателя с последовательным возбуждением
- •Генераторы постоянного тока
- •4.1. Классификация генераторов постоянного тока по способу возбуждения
- •4.2. Энергетическая диаграмма генераторов постоянного тока
- •4.3. Основные характеристики генераторов постоянного тока
- •4.4. Характеристики генератора с независимым возбуждением
- •4.4.1. Характеристика холостого хода
- •4.4.2. Нагрузочная характеристика генератора
- •4.4.3. Внешняя характеристика
- •4.4.4. Регулировочная характеристика
- •4.4.5. Характеристика полного падения напряжения
- •4.5. Рабочая точка нагруженного генератора
- •4.6. Характеристики генератора с параллельным возбуждением
- •4.6.1. Условия самовозбуждения генераторов
- •4.6.2. Характеристика холостого хода
- •4.6.3. Нагрузочная характеристика
- •4.6.4. Внешняя и регулировочная характеристика генератора с параллельным возбуждением
- •4.7. Генераторы с последовательным возбуждением
- •4.8. Генераторы постоянного тока со смешанным возбуждением
- •4.9. Использование генераторов постоянного тока
- •4.10. Параллельная работа генераторов
- •Трансформаторы
- •5.1. Принцип действия трансформаторов
- •5.2. Конструкция однофазных трансформаторов
- •5.3. Потери электрической энергии в трансформаторе и коэффициент полезного действия трансформатора
- •5.4. Режим холостого хода трансформатора
- •5.5. Работа трансформатора в режиме нагрузки
- •5.6. Приведенный трансформатор и его схема замещения
- •5.7. Экспериментальное определение параметров трансформатора
- •5.8. Изменение выходного напряжения трансформатора при изменении тока нагрузки. Внешняя характеристика трансформатора
- •5.9. Внешняя характеристика трансформаторов
- •5.10. Трехфазные трансформаторы. Принцип действия трехфазных трансформаторов
- •5.11. Схемы и группы соединения обмоток трехфазных трансформаторов
- •5.12. Специальные трансформаторы
- •5.12.1. Автотрансформаторы
- •5.12.2. Измерительные трансформаторы
- •5.13. Параллельная работа трансформаторов
- •Асинхронные машины
- •6.1. Магнитные поля асинхронных двигателей. Вращающееся магнитное поле
- •6.2. Эллиптические и пульсирующие магнитные поля
- •6.3. Принцип действия асинхронного двигателя
- •6.4. Конструкция асинхронного двигателя
- •6.5. Обмотки асинхронных машин
- •6.6. Электродвижущие силы статорной и роторной обмоток
- •6.7. Магнитный поток асинхронных машин
- •6.8. Векторная диаграмма асинхронного двигателя
- •6.9. Электрическая схема замещения асинхронного двигателя
- •6.10. Энергетические процессы асинхронной машины
- •6.11. Энергетическая диаграмма асинхронного двигателя
- •6.12. Общее уравнение вращающего момента асинхронной машины
- •6.13. Уравнение механической характеристики асинхронного двигателя
- •6.14. Формула Клосса
- •6.15. Эквивалентная схема замещения асинхронной машины с намагничивающей цепью, приведенной к сетевым зажимам
- •6.16. Круговая диаграмма асинхронной машины. Построение диаграммы
- •6.17. Анализ круговой диаграммы
- •6.18. Пуск трехфазных асинхронных двигателей
- •6.19. Пуск двигателей с фазным ротором
- •6.20. Пуск двигателя с короткозамкнутым ротором
- •6.21. Двигатели со специальной роторной обмоткой и улучшенными пусковыми характеристиками
- •6.22. Способы регулирования частоты вращения трехфазного асинхронного двигателя
- •6.22.1. Изменение частоты вращения с помощью изменения числа пар полюсов
- •6.22.2. Изменение частоты вращения двигателя изменением частоты сети
- •6.22.3. Регулирование частоты вращения ротора асинхронных двигателей изменением сопротивления роторной цепи
- •6.23. Рабочие характеристики асинхронных двигателей
- •Зависимость скорости вращения ротора двигателя от выходной мощности
- •Зависимость механического момента на валу двигателя от выходной мощности
- •Зависимость кпд двигателя от выходной мощности
- •Зависимость коэффициента потребляемой мощности от нагрузки (рис. 6.59)
- •Зависимость потребляемой двигателем мощности от выходной мощности
- •Зависимость скольжения двигателя от выходной мощности
- •6.24. Работа асинхронного двигателя в различных режимах
- •6.25. Работа асинхронной машины с фазным ротором в режиме регулятора трехфазного напряжения
- •6.26. Однофазные асинхронные двигатели
- •6.27. Маркировка выводов асинхронного двигателя
- •Синхронные генераторы
- •7.1. Принцип действия синхронных машин
- •7.2. Конструкция синхронной машины
- •7.3. Режим холостого хода генератора
- •7.4. Реакция якоря синхронной машины
- •7.4.1. Физическая природа реакций якоря
- •7.4.2. Реакция якоря в неявнополюсной машине
- •7.4.3. Реакция якоря в явнополюсной машине. Теория двух реакций
- •7.5. Векторные диаграммы напряжений трехфазного синхронного генератора
- •7.5.1. Диаграмма электродвижущих и намагничивающих сил трехфазных синхронных генераторов с неявно выраженными полюсами
- •7.5.2. Векторная диаграмма эдс трехфазного синхронного генератора с явно выраженными полюсами (диаграмма Блонделя)
- •7.6. Изменение напряжения на выходе синхронного генератора
- •7.6.1. Синхронное сопротивление
- •7.6.2. Изменение напряжения на выходе генератора при изменении нагрузки
- •7.7. Основные характеристики синхронного генератора
- •7.7.1. Характеристика холостого хода
- •7.7.2. Характеристика короткого замыкания
- •7.7.3. Нагрузочная характеристика
- •7.7.4. Внешние характеристики
- •7.7.5. Регулировочные характеристики генератора
- •7.8. Включение в сеть трехфазных генераторов или параллельная работа генераторов переменного тока
- •7.9. Угловые характеристики синхронных генераторов
- •7.10. Мощность синхронизации и момент синхронизации
- •7.11. Влияние тока возбуждения на режим работы синхронного генератора
- •7.12. Потери энергии и коэффициент полезного действия синхронного генератора
- •Синхронные двигатели
- •8.1. Принцип действия синхронных двигателей
- •8.2. Векторная диаграмма напряжений синхронного двигателя
- •8.3. Мощность и механический момент синхронного двигателя
- •8.5. Характеристики синхронного двигателя
- •8.6. Методы пуска синхронных двигателей
- •8.7. Синхронные компенсаторы
- •8.8. Способы возбуждения синхронных машин
- •Заключение
- •Список литературы
- •Оглавление
- •440026, Пенза, Красная, 40.
Основные физические законы функционирования электрических машин
Как и другие устройства, электрические машины созданы и функционируют на базе природных явлений, зафиксированных человеком и описанных в форме физических законов. Как уже указывалось выше, под электрической машиной подразумевают устройство, преобразующее электрическую и механическую энергию. При этом речь идет не только о преобразовании электрической энергии в механическую или о преобразовании механической в электрическую, но и о преобразовании электрической энергии в электрическую и механической в механическую. Почти все виды электромеханических генераторов электрической энергии являются преобразователями механической энергии в электрическую энергию.
Электрические двигатели представляют собой преобразователи электрической энергии в механическую энергию. Трансформаторы преобразуют электрическую энергию в электрическую энергию. Существуют устройства, преобразующие механическую энергию в механическую энергию с помощью электромеханических устройств.
Теория взаимодействия электрических зарядов и магнитных полей изучена достаточно глубоко и изложена в теории электромагнитного поля. Ниже приводятся лишь некоторые примеры внешнего проявления этого взаимодействия.
1. Из курса физики известно, что в каждом проводнике, перемещающемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила, величина которой пропорциональна длине проводника, скорости движения, интенсивности магнитного поля. Направление электродвижущей силы зависит от направления перемещения проводника относительно магнитного поля.
Рис. 1.1
.
Если вектор скорости перпендикулярен проводнику (при ), то
,
где ЭДС проводника в вольтах;
индукция поля в Теслах;
l длина проводника в метрах;
v скорость перемещения проводника в метрах в секунду;
угол между направлением вектора скорости и направлением магнитных силовых линий или вектором индукции магнитного поля.
Рис. 1.2
2. Теория электромагнитного поля указывает и на силовое взаимодействие проводника с током и магнитным полем.
Рис. 1.3
Следовательно, на проводник с током длиной , помещенный в равномерное магнитное поле с индукцией , действует механическая сила , величина которой определяется уравнением в том случае, если вектор индукции и проводник перпендикулярны.
Вектор силы перпендикулярен проводнику и вектору индукции. Направление механической силы, действующей на проводник, принято определять по правилу левой руки (рис. 1.4): левую руку располагают так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца должны указывать направление тока в проводнике, тогда отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.
Рис. 1.4
Рис. 1.5
3. Чаще всего описанные выше взаимодействия проявляются одновременно. Рассмотрим случай перемещения проводника в магнитном поле под воздействием внешних сил со скоростью (рис. 1.5).
В соответствии с описанным выше первым примером взаимодействия магнитного поля и проводника с током в проводнике, движущемся в магнитном поле со скоростью под углом к направлению вектора индукции , возникнет ЭДС, величина которой определяется из уравнения
.
При .
Если внешними проводниками подключить к активному проводнику ab резистор сопротивлением R, то в проводнике ab потечет ток i = e/R. Тогда этот проводник может рассматриваться как проводник с током, находящийся в магнитном поле. На него будет действовать механическая сила F, противоположная направлению перемещения проводника и являющаяся силой сопротивления внешнему воздействию, которое перемещает проводник со скоростью v. Сила F таким образом является силой механического сопротивления. Именно этот случай имеет место во всех электрических машинах, преобразующих электрическую энергию в механическую и механическую энергию в электрическую.
4. Следует напомнить о следующем свойстве упорядоченного движения электрических зарядов. Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле, напряженность которого пропорциональна току (рис. 1.6).
Рис. 1.6
Ф
Рис. 1.7
Для определения направления этого вектора обычно используют то же правило правоходового винта.
Взаимодействием магнитного поля и свободных электрических зарядов объясняется и следующее явление, позволяющее понять принцип действия электрических машин. Речь идет о взаимодействии внешнего магнитного поля со свободными зарядами проводника в форме прямоугольной рамки или витка.
Е сли виток из проводника сцепляется с магнитным полем, магнитный поток которого через площадь витка изменяется во времени, то в витке наводится ЭДС, величина которой пропорциональна скорости изменения магнитного потока . При этом ЭДС имеет такое направление, что при замыкании контура в нем будет протекать ток, собственное магнитное поле которого будет препятствовать изменению магнитного потока. В соответствии с выбранным направлением магнитного потока при его увеличении потенциал клеммы a витка будет выше потенциала клеммы b. При уменьшении потока полярность ЭДС изменится на противоположную.
Г л а в а 2