pdf.php@id=6159.pdf

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Первое издание данной книги вышло в свет в 1966 г. При под­ готовке второго издания текст книги подвергся некоторой пере­ работке. Во-первых, в книге устранены обнаруженные ошибки и неточности. Во-вторых, некоторые параграфы книги переработаны с целью уменьшения их объема или достижения большей ясности истрогости изложения (например, §32-1,32-2, 33-3 и др.). В-третьих, в книгу добавлен новый материал, имеющий существенное значе­ ние для современной теории и практики электромашиностроения: § В-5 — о правилах написания уравнений напряжения электри­ ческих машин переменного тока и составления их векторных диа­ грамм, §11-5 — о машинах постоянного тока с полупроводниковыми коммутаторами, § 5-2 — о влиянии неравномерности зазора между статором и ротором на магнитное поле машины, гл. 40 — о системах возбуждения синхронных машин и др. Добавлены также численные примеры. Вместе с тем заданный объем книги и ее назначение как учебника для студентов втузов ограничивают объем нового материала. Читатели, желающие изучить различные вопросы тео­ рии, проектирования и технологии изготовления электрических машин более глубоко, могут воспользоваться списком литературы, который приведен в конце книги.

Автор благодарен сотрудникам кафедры электрических машин Львовского политехнического института профессору |В. Т. Губенко | и доцентам Р. В. Фильцу, Е. В. Волошанскому и И. И. Андрейко, а также инженеру В. В. Силич (г. Тамбов) за ценные замечания по первому изданию книги.

Все замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское отделение издательства «Энергия».

Автор

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Данная книга предназначается в качестве учебника для студен­ тов втузов и может быть полезна также инженерам-электрикам, работающим в области производства и эксплуатации электрических машин.

Содержание курса электрических машин в книге излагается в такой последовательности: машины постоянного тока, трансфор­ маторы, асинхронные машины, синхронные машины и коллектор­ ные машины переменного тока. В первом разделе книги, посвя­ щенном машинам постоянного тока, освещаются также вопросы,

ВВЕДЕНИЕ

В-1. Электрические машины и их значение в народном хозяйстве

Значение электрической энергии в народном хозяйстве и в быту непрерывно возрастает. Важная роль в построении коммунистиче­ ского общества принадлежит электрификации, что выражено в ге­ ниальной формулировку В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть советская власть плюс электрификация всей страны».

Электрификация промышленности, транспорта, сельского хо­ зяйства и быта населения обусловливает необходимость применения разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основ­ ных видов этого оборудования являются электрические машины, которые служат для преобразования механической энергии в элек­

Преобразование механической энергии в электрическую осуще­ ствляется с помощью электрических машин, называемых э л е к ­ т р и ч е с к и м и г е н е р а т о р а м и . Генераторы приводятся во вращение с помощью паровых, гидравлических и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и других первичных двига­ телей.

Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, снова превращается в механическую для приведения в действие различных машин и механизмов. Для этой цели применяются электрические машины, называемые э л е к ­ т р и ч е с к и м и д в и г а т е л я м и .

На современных электростанциях обычно вырабатывается пере­ менный ток, и для передачи его к потребителям через линии элек­ тропередачи и электрические сети необходимо изменять напряже­ ние тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются т р а н с ф о р м а т о р а м и . Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращаю­ щихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и по­ этому их также относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова. Существуют также другие разновидности элек­ трических машин.

В зависимости от рода тока электрические машины подразде­ ляются на машины постоянного и переменного тока. Электрические машины изготовляются на очень широкие пределы мощностей — от долей ватта до миллиона киловатт и выше.

в 1,46 раза. Приблизительно во столько же раз увеличилось также производство электрических машин.

В 1970 г. в СССР было изготовлено электрических генераторов на суммарную мощность 10,6 млн. кет, трансформаторов — на мощность 105,9 млн. кв-а, электродвигателей переменного тока с единичной мощностью более 0,25 кет — на суммарную мощность 33,3 млн. кет. Кроме того, выпущено весьма большое количество электродвигателей меньшей мощности, машин постоянного тока и разнообразных специальных видов маломощных электрических машин для применения в автоматизированных транспортных, оборонных и других установках.

В-2. Общие сведения об электрических машинах

Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины назы­ ваются и н д у к т и в н ы м и . Возможно также создание электри­ ческих машин, в которых энергия преобразуется посредством элек­ трического поля ( е м к о с т н ы е м а ш и н ы ) , однако такие ма­ шины существенного практического распространения не имеют. Это объясняется следующим.

В обоих классах машин взаимодействие между отдельными ча­ стями машины и преобразование энергии происходят через поле, существующее в среде, которая заполняет пространство между взаимодействующими частями машины. Этой средой обычно яв­ ляется воздух или другое вещество с подобными же магнитными и электрическими свойствами. Однако при практически достижимых интенсивностях магнитного и электрического полей количество энергии в единице объема такой среды будет при магнитном поле в тысячи раз больше, чем при электрическом. Поэтому при одина­ ковых внешних размерах или габаритах машин обоих классов индуктивные машины будут развивать значительно большую мощность.

Для получения по возможности более сильных магнитных полей применяются ферромагнитные сердечники, которые являются не­ отъемлемыми частями каждой электрической машины. При перемен­ ных магнитных полях сердечники с целью ослабления вихревых токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии изготов­ ляются из листовой электротехнической стали. Другими неотъем­ лемыми частями электрической машины являются обмотки из про­ водниковых материалов, по которым протекают электрические токи. Для электрической изоляции обомоток применяются различные электроизоляционные материалы.

Как будет установлено в последующих разделах книги, электри­ ческие машины обладают свойством обратимости: каждый электри­

ческий генератор может работать в качестве двигателя и наоборот, а в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. Однако каждая выпускаемая электро­ машиностроительным заводом вращающаяся машина обычно пред­ назначается для одного, определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансфор­ маторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая (вторичная обмотка) — для отдачи энергии. При этом оказывается возможным наилучшим образом приспособить машину для задан­ ных условий работы и добиться наилучшего использования мате­ риалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу веса машины.

Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванными перемагничиванием ферромаг­ нитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и т. д. Поэтому потребляемая электриче­ ской машиной мощность всегда больше отдаваемой, или полезной, мощности, а коэффициент полезного действия (к. п. д.) меньше 100%. Тем не менее электрические машины по сравнению с тепловыми и некоторыми другими типами машин являются весьма совершен­ ными преобразователями энергии с относительно высокими коэф­ фициентами полезного действия. Так, в самых мощных электриче­ ских машинах к. п. д. равен 98—99,5%, а в машинах мощностью 10 вт. к. п. д. составляет 20—40%. Такие величины к. п. д. при столь малых мощностях во многих других типах машин недости­ жимы.

Высокие энергетические показатели электрических машин, удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на самые разнообразные мощности, скорости вращения, а также удобство обслуживания и простота управления обусловили повсе­ местное их широкое распространение.

Теряемая в электрических машинах энергия превращается в тепло и вызывает нагревание отдельных их частей. Для надеж­ ности работы и достижения приемлемого срока службы нагревание частей машины должно быть ограничено. Наиболее чувствитель­ ными в отношении -нагревания являются электроизоляционные материалы, и именно их качеством определяются допустимые уровни нагревания электрических машин. Большое значение имеет также создание хороших условий отвода тепла и охлаждения электри­ ческих машин.

Потери энергии в электрической машине увеличиваются с повы­ шением ее нагрузки, а вместе с этим увеличивается и нагрева­ ние машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допускаемая

>

Ц

для данной машины, определяется главным образом допусти­ мым уровнем ее нагревания, а также механической прочностью отдельных частей машины, условиями токосъема на скользящих контактах и т. д. Напряженность режима работы электрических машин переменного тока в отношении электромагнитных нагрузок (величины магнитной индукции, плотности тока и т. д.), потерь энергии и нагревания определяется не активной, а полной мощ­ ностью, так как величина магнитного потока в машине определяется полным напряжением, а не его активной составляющей. Полезная мощность, на которую рассчитана электрическая машина, назы­ вается н о м и н а л ь н о й . Все другие величины, которые харак­ теризуют работу машины при этой мощности, также называются номинальными. К ним относятся: номинальные напряжение, ток, скорость вращения, к. п. д. и другие величины, а для машины пере­ менного тока также номинальная частота и номинальный коэффи­ циент мощности (соз <р).

Основные номинальные величины указываются в паспортной табличке (на щитке), прикрепленной к машине. Принято, что для двигателя номинальная мощность является полезной мощностью на его валу, а для генератора — электрической мощностью, отда­ ваемой с его выходных зажимов. При этом для генераторов перемен­ ного тока дается либо полная, либо активная номинальная мощ­ ность (по последним стандартам СССР — полная мощность). Для трансформаторов и некоторых других машин переменного тока

втабличке всегда указывается полная номинальная мощность. Номинальные величины, методы испытаний электрических ма­

шин, а также другие их технико-экономические данные и требова­ ния регламентируются в СССР государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины.

Номинальные напряжения электрических машин согласованы в ГОСТ со стандартными номинальными напряжениями электри­ ческих сетей. Номинальные напряжения для электрических двига­ телей и первичных обмоток трансформаторов при этом берутся рав­ ными стандартным напряжениям электрических сетей, а для гене­ раторов и вторичных обмоток трансформаторов — на 5—10% больше с целью компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее упо­ требительные номинальные напряжения электрических машин сле­ дующие: для двигателей постоянного тока ПО, 220 и 440 в, для генераторов постоянного тока 115, 230 и 460 в, для двигателей пере­ менного тока и первичных обмоток трансформаторов 220, 380, 660 в и 3, 6, 10 кв, для генераторов и вторичных обмоток трансфор­ маторов 230, 400, 690 в и 3,15; 6,3; 10,5; 21 кв (для вторичных обмо­ ток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кв). Из более высоких напряжений для первичных обмоток трансформаторов стандартными являются 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кв и для вторичных обмо-

ток 38,5; 121, 165, 242, 347, 525 и 787 кв. Для трехфазных установок в паспортных табличках приводятся линейные значения напряже­ ний.

В СССР, а также в большинстве других стран мира промышлен­ ная частота тока равна 50 гц, и большинство машин переменного тока поэтому также строится на 50 гц. В США и других странах Америки промышленная частота тока равна 60 гц. Для разных спе­ циальных назначений (электротермические установки, устройства

следующие группы: до 0,5 кет — машины весьма малой мощности, или микромашины, 0,5—20 кет — машины малой мощности, 20— 250 кет — машины средней мощности и более 250 кет — машины большой мощности. Эти границы между группами в определенной степени условны.

В-3. Системы единиц

ВСССР для электрических, магнитных, механических и других измерений, согласно ГОСТ 9867—61, применяется Международная система единиц (СИ), основными единицами которой являются метр, килограмм (масса), секунда, ампер. По этому ГОСТ допу­ скается также использование абсолютной системы единиц СГС, основными единицами которой являются сантиметр, грамм (масса), секунда н в которой электрическая постоянная е0 и магнитная по­ стоянная Цо при нерационализованной форме уравнений электро­ магнитного поля равны единице.

Втабл. В-1 приводятся наименования и обозначения единиц систем СИ и СГС, а также численные соотношения между ними. Наименования отдельных единиц пока еще не установлены. Углы

всистеме СИ измеряются в радианах.

Единицы, содержащиеся в системе СИ, начинают широко при­ меняться также для измерения тепловых и других величин.

В данной книге используется система единиц СИ и мате­ матические соотношения пишутся в рационализованной форме, при которой множитель 4л из наиболее общих закономерностей устраняется и переходит в соотношения, характеризуемые сфери­ ческой симметрией. При этом электрическая постоянная

е°= 4 ^ Г '107 Фарад на метр М *1')'

где с0 = 3 • 103 м/сек — скорость света в пустоте, и магнитная постоянная

|л0 = 4л • 1 0 7 генри на метр (гн/м).