МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Орский гуманитарно - технологический институт

(филиал) Оренбургского государственного университета

Кафедра электроснабжения и электропривода

Н.В. Белянцева

Электрические машины Электромеханика

Учебное пособие по выполнению расчетно-графических заданий, курсовых проектов (работ) для специальностей 100400 – Электроснабжение, 180400 – Электропривод, 101600 – Энергообеспечение

Настоящее пособие предназначено для выполнения курсовых проектов (работ) и контрольных работ студентами специальностей 100400, 180400, 101600.

К изучению электрических машин можно приступить, только глубоко усвоив теоретические основы электротехники, физику электромагнитных явлений и выработав навыки математического анализа процессов в электрических и магнитных цепях.

В случае затруднения при изучении курса и выполнении контрольных работ, студенты должны обращаться за консультацией на кафедру «Электропривод и автоматизация промышленных установок».

Введение

Главными элементами энерговооруженности труда являются электрические машины и трансформаторы. Поэтому курс электрических машин является основным для всех студентов электротехнических и электроэнергетических специальностей.

Электропромышленность выпускает электрические машины с высокими техническими показателями и самых разнообразных мощностей (от долей ватта до сотен тысяч киловатт).

По действующим учебным планам для студентов специальностей 100400 курс «Электромеханика» и 180400 курс «Электрические машины» делится на две части. Первая включает в себя изучение трансформаторов и асинхронных машин, вторая – синхронных машин и машин постоянного тока. В течении курса студенты выполняют лабораторные работы, а студенты специальности 180400 по первой части - расчетно-графическое задание. При изучении второй части студенты выполняют курсовой проект. Формой контроля предусмотрен экзамен по первой и второй части. Помимо экзамена, студенты сдают зачет, где учитываются и защита лабораторных работ, и работа на практических занятиях. Для специальности 100400 предусмотрен зачет по первой части, а для специальности 180400 - по второй части.

Для студентов специальности 101600 изучение «Электрических машин» предусмотрено в 5 семестре. В рабочей программе указаны все этапы изучения электрических машин с выполнением курсовой работы, лабораторных работ и сдачей экзамена по курсу.

Для заочного отделения курс «Электрические машины» изучается по утвержденным рабочим программам в соответствии с учебными планами.

1 Методические указания и краткие сведения по разделам курса

1. Введение

Во введении в курс электрических машин рассматриваются следующие вопросы:

- значение электрических машин в современной технике;

- классификация электрических машин;

- вопросы электромеханического преобразования энергии;

- требования, предъявляемые к электрическим машинам;

- законы, лежащие в основе работы электрических машин.

Электрификация промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта обуславливает необходимость применения различного электротехнического оборудования. Одним из основных видов электрооборудования являются электрические машины, которые служат для взаимного преобразования механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами -– ГЕНЕРАТОРАМИ, преобразующими механическую энергию в электрическую. В основном это тепловые станции (где сжигают химическое топливо – газ, уголь), атомные электростанции, гидравлические электростанции. В процессе потребления электроэнергии происходит ее преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.). Основное количество электроэнергии (70%) преобразуется в механическую (т.е. приведение в движение станков, механизмов, транспортных средств) и для этого используется ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ. Электрические машины применяются для преобразования рода тока (переменного в постоянный, частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого). Такие машины называются ЭЛЕКТРОМАШИННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.

Рис. 1. Конструктивная схема вращающейся электрической машины:

1. статор; 2- обмотка статора; 3- воздушный зазор; 4- ротор; 5- обмотка ротора; 6- подшипники; 7- корпус; 8- вал;9-; 10-.

Различают машины переменного и постоянного тока, в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил, законах Ома, Джоуля - Ленца.

Закон электромагнитной индукции

, [В]

В – индукция в месте нахождения проводника (в сек/см²)

l - длина проводника [см]

V - скорость движения проводника [см/сек]

Направление наведенной ЭДС определяем по правилу «правой руки».

В результате взаимодействия тока и поля возникает электромагнитная сила

(2)

Направление силы F_эм определяем по правилу «левой руки».

Используя законы, можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими процесс работы электрической машины. В режиме генератора механическая мощность (FV) преобразуется в электрическую мощность (IЕ), а в режиме двигателя электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (F_эм V) энергию и частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r).

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь, для ее усиления обмотки размещают на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником. Энергия из одной обмотки в другую передается посредством магнитного поля.

В заключение по введению можно сделать вывод:

1) для любой электрической машины обязательно наличие электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения (кроме трансформатора);

2) при работе электрической машины, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, одновременно наблюдается индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле и возникновение силы, действующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при протекании по нему электрического тока;

3) взаимное преобразование механической и электрической энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, то есть одна и та же машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют ОБРАТИМОСТЬЮ. Принцип обратимости был впервые установлен русским ученым Ленцем в 1833 году.

Вопросы для самопроверки

1. Какие явления лежат в основе принципа работы электрических машин и трансформаторов?

2. Какие главные законы лежат в основе работы электрических машин?

3. Какие материалы используются в машиностроении, каким требованиям должны они удовлетворять?

4. Как происходит преобразование энергии в электрических машинах ( на принципе действия элементарного генератора и двигателя)?

2. Трансформаторы

При изучении теоретического курса «Трансформаторы» главными являются следующие вопросы:

- наведение вторичной ЭДС при холостом ходе и при нагрузке;

- основные уравнения, векторные диаграммы и схемы замещения;

- исследование рабочего процесса трансформатора с использованием параметров холостого хода и короткого замыкания;

- потери, КПД, нагревание и охлаждение трансформатора;

- группы соединений и параллельная работа трехфазных трансформаторов;

- регулирование напряжения трансформаторов, несимметричная нагрузка;

- автотрансформатор, специальные трансформаторы.

Трансформатор – статическое электромагнитное устройство, имеющее две (или более) индуктивно связанные обмотки, и предназначенное для преобразования посредством явления электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного тока в другую (вторичную) систему переменного тока.

Одна из обмоток, которую называют первичной, присоединена к источнику переменного тока сети на напряжение U₁. К другой обмотке, называемой вторичной, подключен потребитель Zн.

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток с напряжением U, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них ЭДС.

В первичной обмотке ЭДС самоиндукции, во вторичной обмотке ЭДС взаимоиндукции:

;

где w₁ и w₂ - число витков в первичной и вторичной обмотке трансформатора. При включении нагрузки Zн к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e₂ в цепи этой обмотки создается ток i₂, а на выводах устанавливается напряжение U₂. В повышающих трансформаторах U₂ >U₁, в понижающих U₂ <U₁.

Мгновенные значения ЭДС е₁ и е₂ отстают по фазе от потока Ф на угол .

Действующие значения ЭДС соответственно равны:

Отношение напряжений при x.х. трансформатора называется коэффициентом трансформации.

В реальном трансформаторе кроме основного магнитного потока Ф, который замыкается по стали и сцеплен со всеми обмотками трансформатора, имеются также потоки рассеяния Ф_σ1 и Ф_σ2, сцепленные только с одной из обмоток.

Потоки рассеяния не участвуют в передаче энергии, но создают в каждой из обмоток соответствующие ЭДС рассеяния.

С учетом этих ЭДС и падений напряжения в активных сопротивлениях обмоток можно составить комплексные уравнения для первичной и вторичной обмоток трансформатора

Так как потоки рассеяния полностью или частично замыкаются по воздуху, то они пропорциональны МДС соответствующих обмоток или соответствующим токам:

величины х₁ и х₂ называют индуктивными сопротивлениями обмоток трансформатора, обусловленными потоками рассеяния.

Т.к. векторы ЭДС отстают от соответствующих потоков и токов на 90⁰, то

При этом комплексные управления трансформатора примут вид

Векторную диаграмму трансформатора строим согласно системе уравнений. Характер диаграммы определяется током нагрузки , который принимается заданным по величине и фазе.

МДС оказывает своей реактивной составляющейна магнитопроводразмагничивающее действие.

Реальный трансформатор можно заменить схемой замещения.

а, б – точки соединения первичной и вторичной обмоток.

Эквивалентное сопротивление этой схемы ,

где

Сопротивление (и его составляющие ), а также называют соответственно сопротивлениями вторичной обмотки и нагрузки, приведенными к первичной обмотке. Аналогично называют значения ЭДС и тока:

Коэффициентом полезного действия трансформатора называют отношение отдаваемой мощности Р₂ к мощности Р₁

или

, где

∆Р - суммарные потери в трансформаторе.

Согласно ГОСТа потери мощности в трансформаторе определяют по данным опытов х.х. и к.з., т.к. в этих опытах трансформатор не отдает мощность нагрузке, следовательно, вся мощность, поступающая в первичную обмотку, расходуется на компенсацию имеющихся в нем потерь.

Кроме КПД по мощности пользуются значением КПД по энергии, которая представляет собой отношения количества энергии отданной трансформатором потребителю W₂ (кВт ч) в течение года, к энергии, полученной им от питающей электросети W₁ за это же время

КПД трансформатора по энергии характеризует эффективность эксплуатации трансформатора.

Группы соединений обмоток трансформаторов – делят на группы в зависимости от сдвига по фазе между линейными напряжениями, измеренными на одноименных зажимах.

Группы соединений обозначают целыми числами от 0 до 11. Номер группы определяют величиной угла, на который вектор линейного напряжения обмотки НН отстает от вектора линейного напряжения обмотки ВН. Для определения номера группы этот угол следует разделить на 30⁰. Таким образом, для однофазных трансформаторов существует 2 группы 0 и 6.

По существующим ГОСТам промышленность выпускает трехфазные силовые трансформаторы двух групп: 0 и 11, что облегчает практическое включение трансформаторов на параллельную работу.

Условия включения на параллельную работу. Для включения трансформаторов на параллельную работу необходимо, чтобы при х.х. в их обмотках не возникали уравнительные токи и чтобы нагрузка распределялась между обоими трансформаторами в соответствии с их номинальной мощностью.

1. трансформаторы должны иметь одинаковые коэффициенты трансформации;

2. трансформаторы должны принадлежать к одной группе соединений;

3. они должны иметь одинаковые напряжения короткого замыкания.

Автотрансформатором называют такой трансформатор, у которого обмотка низшего напряжения электрически (гальванически) связана с обмоткой высшего напряжения, т.е. у него обмотка низшего напряжения является частью обмотки ВН, причем она выполняется из проводников отличающихся по сечению от проводников другой части.

Принципиальная схема автотрансформатора:

Регулирование напряжения в трансформаторах.

1 Стабилизация вторичного напряжения при незначительных (на 5-10%) изменения первичного напряжения, что происходит из-за падения напряжения в линии.

2 Регулирование вторичного напряжения (из-за технологического процесса) в широких пределах при неизменном напряжении.

Регулирование напряжения, т.е. переключение ответвлений w₁ и w₂ может осуществляться при отключении трансформатора от первичной и вторичной сети (переключение без возбуждения ПБВ) или под нагрузкой (регулирование под нагрузкой РПН).

Переходные процессы в трансформаторах. При изменении режима работы трансформатора (преднамеренно или случайно) происходит переход от одного установившегося режима к другому. Длительность небольшая (доли секунды), но сопровождается опасными для трансформаторов явлениями. При переходных процессах результирующие токи и напряжения на отдельных частях обмоток могут превышать те же величины в установившихся режимах, что учитывается при проектировании и эксплуатация трансформаторов и электрических машин.

Вопросы для самопроверки.

1. Объясните принцип действия трансформатора. Что представляет собой магнитная цепь трансформатора? Какие ЭДС наводятся в реальном трансформаторе?

2. Напишите выражение для ЭДС, индуцируемых в обмотках трансформатора?

3. Почему сердечник трансформатора набирается из листовой стали?

4. Что такое коэффициент трансформации и как он определяется?

5. Как влияет насыщение стали сердечника на форму кривой тока холостого хода?

6. Как влияет увеличение зазора в стыке между стержнем и ярмом на величину тока холостого хода при постоянных напряжении и частоте?

7. Почему форма кривой тока холостого хода отличается от синусоидальной, если к первичной обмотке подведено синусоидальное напряжение?

8. Как влияет схема соединения фаз на величину высших гармоник в кривой тока холостого хода?

9. Как определить номер группы соединений обмоток?

10. Как определяются потери в трансформаторе?

11. Почему при переходе от холостого хода к нагрузке основной магнитный поток остается практически неизменным?

12. Почему при увеличении тока во вторичной обмотке, величина тока в первичной тоже увеличивается?

13. Чем отличается приведенный трансформатор от реального? В чем его преимущества при анализе электромагнитных процессов?

14. Объясните физический смысл всех параметров схемы замещения трансформатора при нагрузке. Каковы методы их определения?

15. Что такое напряжение короткого замыкания?

16. При какой нагрузке трансформатор имеет максимальный КПД?

17. Какие явления в трансформаторе вызывают токи внезапного короткого замыкания?

18. В чем отличие автотрансформатора от трансформатора?

19. Какими способами возможно регулировать напряжение в трансформаторах?

20. Какие трансформаторы специального назначения вы знаете?