Материалы лекций по дисциплине

«Электрические машины»

Содержание:

Введение……………..……………………………………………………………………………....... 5 1. Законы Электромеханики.................................................................................................................6

2.Трансформаторы............................................................................................................................7

2-1. Устройство трансформатора.................................................................................................7

2-1-1. Шихтовка железа и обмотки стержневого трансформатора …...................................7

2-2. Однофазные трансформаторы. Холостой ход однофазного трансформатора.................8

2-2-1. Ток холостого хода..........................................................................................................8

2-2-2. Потоки и ЭДС в однофазном трансформаторе………………………………………..9

2-2-3. Потери при холостом ходе трансформатора.................................................................10

2-2-4. Схема замещения трансформатора при холостом ходе...............................................10

2-2-5. Определение параметров z_m, x_m,r_m.................................................................................10

2-3. Работа однофазного трансформатора под нагрузкой.........................................................11

2-3-1. Приведение параметров вторичной обмотки трансформатора к первичной.............11

2-3-2. Физические процессы в трансформаторе при нагрузке...............................................11

2-3-3. Векторная диаграмма трансформатора при нагрузке..................................................12

2-3-4. Схема замещения трансформатора при нагрузке.........................................................12

2-4. Режим короткого замыкания однофазного трансформатора.............................................13

2-4-1. Векторная диаграмма трансформатора при коротком замыкании.............................13

2-4-2. Потери при коротком замыкании...................................................................................14

2-4-3. Экспериментальное определение параметров короткого замыкания.........................14

2-4-4. Треугольник короткого замыкания................................................................................14

2-5. Совмещение режимов............................................................................................................15

2-5-1. Коэффициент полезного действия трансформатора....................................................15

2-5-2. Относительное изменение напряжения - ΔU................................................................16

2-6. Трехфазные трансформаторы...............................................................................................17

2-6-1. Устройство трехфазных трансформаторов и их особенность.....................................17

2-6-2. Группы соединения трехфазных трансформаторов.....................................................19

2-6-3. Параллельная работа трансформаторов ……………………………………….…........19

2-6-4. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве коэффициентов трансформации ……………………………………………..……………………..............…....20

2-6-5. Параллельная работа трансформаторов при неравенстве напряжений

короткого замыкания..……….……………………….………………………….....…...21

2-6-6. Параллельная работа трансформаторов с различными группами

соединения ………………………………………………………………………....….....22

2-7. Переходные режимы трансформаторов …………………….…………………..........…...22

2-7-1. Переходный процесс при включении трансформатора в холостую …...............…...22

2-7-2. Переходный процесс при коротком замыкании трансформатора …….…..................24

2-8. Специальные трансформаторы.............................................................................................25

2-8-1. Автотрансформаторы......................................................................................................25

2-8-2. Трехобмоточный трансформатор...................................................................................26

3. Асинхронные машины...............................................................................................................27

3-1. Устройство и принцип действия асинхронного двигателя................................................27

3-1-1. Принцип создания вращающегося магнитного поля статорной обмоткой................28

3-1-2. Принцип действия асинхронного двигателя.................................................................28

3-2. Общие вопросы машин переменного тока...........................................................................29

3-2-1. Обмотки машин переменного тока................................................................................29 3-2-2. Электродвижущая сила (ЭДС) обмотки машин переменного тока............................32

3-2-3. намагничивающая сила обмоток машин переменного тока........................................36

3-2-3-1. Намагничивающая сила однофазной обмотки.......................................................36

3-2-3-2. Намагничивающая сила трехфазной обмотки........................................................37

3-3. Рабочий процесс асинхронного двигателя..........................................................................40

3-3-1. Режимы работы асинхронной машины.........................................................................40

3-3-2. Режим двигателя..............................................................................................................41

3-3-3. Явления связанные с вращением ротора асинхронного двигателя............................42

3-3-4. Приведение параметров роторной обмотки к статорной.............................................43

3-3-5. Приведение асинхронного двигателя к эквивалентному трансформатору................44

3-3-6. Векторная диаграмма асинхронного двигателя............................................................44

3-3-7. Схемы замещения асинхронной машины.....................................................................45

3-4. Вращающий (электромагнитный) момент асинхронной машины...................................47

3-4-1. Энергетическая диаграмма, вращающий момент асинхронного двигателя..............47

3-4-2. Максимальный (критический) момент асинхронной машины...................................49

3-4-3. Расчетная формула момента асинхронного двигателя................................................50

3-4-4. Пуск трехфазных асинхронных двигателей..................................................................50

3-4-4-1. Пуск под номинальным напряжением.....................................................................50

3-4-4-2. Пуск при пониженном напряжении.........................................................................51

3-4-4-3. Пуск двигателя с фазным ротором...........................................................................52

3-5. Асинхронные двигатели с обмоткой ротора специального исполнения..........................52

3-5-1. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с глубоким пазом на роторе.................53

3-5-2. Короткозамкнутый асинхронный двигатель с двойной клеткой на роторе...............55

3-6. Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей............................................56

3-6-1. Регулирование частоты вращения двигателя изменением частоты.............................56

3-6-2. Регулирование частоты вращения двигателя путем изменения числа пар полюсов 57

3-6-3. Регулирование частоты вращения двигателя сопротивлением в цепи ротора (с фазным ротором)........................................................................................................................................59

3-6-4. Регулирование частоты вращения двигателя изменением напряжения.................59

3-7. Однофазный асинхронный двигатель..................................................................................59 4. Машины постоянного тока………………………………………………………………………61

4-1. Устройство и принцип действия машин постоянного тока……………………………….61

4-2. Обмотки якоря машин постоянного тока…………………………………………………..63

4-2-1. Простая петлевая обмотка………………………………………………………………64

4-2-2. Простая волновая обмотка……………………………………………………………...65

4-2-3. Сложно-петлевая обмотка………………………………………………………………66

4-2-4. Сложно-волновые обмотки……………………………………………………………..66

4-2-5. Симметрия обмоток и уравнительные соединения……………………………………66

4-3. ЭДС обмотки якоря………………………………………………………………………..……69

4-4. Реакция якоря в машинах постоянного тока………………………………...…69

4-5. Генераторы постоянного тока…………………………………………...……70

4-5-1. Электромагнитный момент генератора постоянного тока………………………..… 71

4-5-2. Генератор независимого возбуждения…………………………………………..…… 72

4-5-3. Генератор параллельного возбуждения…………………………………………...….. 73

4-5-4. Генератор последовательного возбуждения……………………………………..……75

4-5-5. Генератор смешанного возбуждения………………………………………………….75

4-5-6.Параллельная работа генераторов постоянного тока………………………………....76

4-6. Двигатели постоянного тока……………………………………………………77

4-6-1. Пуск двигателей постоянного тока……………………………………………………78

4-6-2. Реверсирование двигателя постоянного тока…………………………………………79

4-6-3. Классификация двигателей постоянного тока………………………………………..80

4-6-3-1. Двигатели параллельного возбуждения…………………………………………80

4-6-3-2. Двигатели последовательного возбуждения……………………………………81

4-6-3-3. Двигатель смешанного возбуждения……………………………………….……82

4-6-4. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока……………………82

4-6-5. Регулирование частоты вращения сопротивлением в цепи якоря………………..…82

4-6-5-1. Регулирование частоты вращения за счет изменения потока………………….…83

4-6-5-2. Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения………83

4-7. Коммутация в машинах постоянного тока…………………………………85

4-7-1. Закон изменения тока в коммутируемой секции……………………………………86

4-7-2. Прямолинейная коммутация……………………………………………………..…..87

4-7-3. Замедленная коммутация……………………………………………………………..88

4-7-4. Ускоренная коммутация………………………………………………………………90

4-7-5. Способы улучшения коммутации………………………………………………..…...90

4-7-6. Круговой огонь в машинах постоянного тока…………………………………..…..93

5 Синхронные машины…………………………………………………..94

5-1. Назначение, устройство и принцип действия…………………….………94

5-2. Реакция якоря в синхронном явнополюсном генераторе……….………96

5-2-1. Реакция якоря при активной нагрузке……………………………………..……..97

5-2-2. Реакция якоря при индуктивной нагрузке………………………………….…….98

5-2-3. Реакция якоря при емкостной нагрузке……………………………………….…..98

5-2-4. Реакция якоря при смешанной нагрузке…………………………………….……98

5-3. Рабочий процесс синхронной машины……………………………………98

5-3-1. Основная диаграмма ЭДС явнополюсного синхронного генератора…………..99

5-3-2. Преобразованная диаграмма ЭДС явнополюсной синхронной машины……….99

5-4. Определение параметров синхронной машины по снятым характеристикам………………………………………………………………………100

5-4-1. Определение ненасыщенного индуктивного сопротивления Xd………………100

5-4-2. Определение параметра Xd насыщенного………………………………………101

5-4-3. Определение параметра Xq………………………………………………………102

5-4-4. Определение параметров Xq и Xd методом скольжения………………………102

5-4-5. Определение параметра Xs………………………………………………………102

5-4-6. Диаграммы намагничивающих сил……………………………………………..103

5-5. Электромагнитная мощность и момент синхронных машин…………...104

5-6. Синхронные двигатели…………………………………………………….105

5-6-1. Векторные диаграммы и угловые характеристики синхронного двигателя…….105

5-6-2. Режим работы синхронного двигателя при постоянном моменте и переменном токе возбуждения………………………………………………………………………………………..…107

5-6-3. Пуск синхронного двигателя…………………………………………………...….108

Введение:

Почти вся электроэнергия на Земле вырабатывается электрическими машинами (генераторами), а затем большая ее часть, электрическими двигателями преобразуется в механическую энергию. Электрические машины во многом определяют технический уровень промышленного производства. Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство и жизнь цивилизованного общества.

Широкое применение электрической энергии имеет место благодаря возможности удобного ее распределения, передача на большие расстояния и высокому КПД при преобразовании в другие виды энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами, преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления. Последний попадает в турбину, где, расширяясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в турбине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате электромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс выработки электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо турбины. Турбина вращается и вращает вал электрического генератора, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. В процессе потребления электрической энергии происходит ее преобразование в другие виды энергии. Около 70% электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е., для преобразования ее в механическую энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами – электродвигателями.

Электродвигатели – основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергией, простота ее распределения позволили широко применить в промышленности многодвигательный электропривод рабочих машин. Электродвигатели широко применяются на транспорте в качестве тяговых двигателей электровозов, электропоездов, троллейбусов, трамваев и др.

За последнее время значительно возросло применение электрических машин малой мощности – микромашин мощностью от долей до нескольких сот Ватт. Такие электрические машины используются в устройствах автоматики и вычислительной технике.

Особый класс электрических машин составляют двигатели для бытовых электроустройств – пылесосы, холодильники, вентиляторы и др. Мощность этих двигателей невелика (от единиц до сотен Ватт), конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в крупные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и на тысячи километров. Передачу электроэнергии на большие расстояния осуществляют при высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные электрические потери в линиях электропередачи.

Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неоднократно понижать и повышать напряжение. Этот процесс выполняется посредством электромагнитного устройства, называемого трансформатором.

Трансформатор не является электрической машиной, он преобразует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, трансформатор – это статическое устройство, и в нем нет никаких движущихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при работе электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии магнитного поля и проводника с током.

По этим причинам трансформаторы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.

Дата добавления: 2014-11-20