Zagryadtskiy_elektr_mashiny_1

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

В.И. Загрядцкий

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ЧАСТЬ 1. ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ. ТРАНСФОРМАТОРЫ

Рекомендовано редакционно-издательским советом ОрелГТУ в качестве учебника для вузов

Орел 2009

1

УДК 621.314.21 (075)

ББК 31.261.8 я 7

З14

Рецензенты:

доктор технических наук, профессор кафедры «Электромеханические системы и электроснабжение»

Воронежского государственного технического университета

К.Е. Кононенко,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Электрооборудование и энергосбережение»

Орловского государственного технического университета

А.Н. Качанов

Загрядцкий, В.И.

З14 Электрические машины: учебник для вузов: в 3 ч. Ч. 1: Электромеханическое преобразование энергии. Трансформаторы / В.И. Загрядцкий. – Орел: ОрелГТУ, 2009. – 162 с.

В учебнике рассматриваются вопросы теории трансформаторов. Описываются многочисленные конструкции трансформаторов и их применение в различных отраслях промышленности.

Предназначается для студентов, аспирантов и преподавателей вузов. Будет полезен инженерно-техническим работникам, занятым в области электрических машин и трансформаторов.

УДК 21.314.21(075)

ББК 31.261.8 я 7

© ОрелГТУ, 2009

2

3

4

ВВЕДЕНИЕ

Внаш век высоких технологий, век грандиозного развития промышленности, энергетики, электроники, широкомасштабного покорения космоса, развития ВПК, электрические машины стали наиболее необходимы. Они постоянно совершенствуются, модифицируются, меняются их параметры, технические показатели. Это относится к генераторам, двигателям, преобразователям, трансформаторам. Их конструкции отличаются большим разнообразием. А диапазон мощностей, напряжений, частот, чисел оборотов позволяет удовлетворить любые нужды энергетики и электропривода. Электрогенераторы служат для получения электрической энергии. Об их важности можно судить по тому факту, что 90 % производимой в мире энергии вырабатываются электромеханическими агрегатами.

Электродвигатели преобразуют получаемую электрическую энергию постоянного и переменного тока в механическую энергию вращения вала или механическую энергию поступательно движущегося элемента. Они – основа привода разнообразных устройств: станков, насосов, вентиляторов, многочисленных исполнительных и информационных систем автоматики. Каждый двигатель имеет свою область применения.

Вэлектроэнергетике, в промышленности и в быту, получили огромное распространение трансформаторы, преобразующие переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Почти повсюду в местах проживания и работы людей есть как минимум один трансформатор.

Электрическая машина состоит из двух основных частей: статора

иротора с обмотками. Статор – неподвижная часть, а ротор – вращающаяся часть. Такая конфигурация представляет собой простейший двухзвенный механизм, который обладает простотой, надежностью и долговечностью.

Другим важным свойством электрических машин является их обратимость, т.е. способность к преобразованию электрической энергии в механическую и наоборот, в трансформаторах – электрической энергии с одними параметрами в электрическую энергию других параметров.

Преобразование энергии осуществляется с высокой эффективностью, другими словами, с большим коэффициентом полезного дейст-

5

вия. Происходит это потому, что электрические потери и потери в магнитопроводе относительно небольшие, минимальны также и механические потери.

Трансформатор имеет неподвижный магнитопровод, состоящий из стержней с обмотками и ярем. Механические потери в них отсутствуют, поэтому коэффициент полезного действия трансформаторов выше, чем в электрических машинах и достигает до 99 %.

Следующим свойством электрических машин и трансформаторов является то, что энергия может поступать в обмотку или отбираться от обмотки, расположенной безразлично где: на статоре или на роторе, либо на любом стержне (или стержнях).

В электрических машинах и трансформаторах могут быть достаточно просто выполнены условия электромагнитной совместимости. Это означает, что в общем магнитопроводе могут быть размещены взаимонеиндуктивные обмотки. Достигается это различными техническими приемами. Электромагнитное совмещение позволяет разнообразить конструктивные схемы устройств, получать их новые свойства, снижать массу и габариты и т.д.

Познание процессов, происходящих в электрических машинах и трансформаторах, с целью их дальнейшего совершенствования, требует от студентов тщательного изучения этих устройств. Электромеханика является одним из основополагающих разделов электротехники и необходима для изучения других специальных дисциплин.

Написание данного учебника вызвано тем, что в существующих курсах электрических машин недостаточно отражено применение трансформаторов в различных отраслях промышленности.

Поэтому изучение электрических машин и трансформаторов включает в себя не только рассмотрение теории этих устройств, но и знакомство с их многочисленными разновидностями и областями применения. Этим данный учебник отличается от других учебников. Он предназначен, в основном, для студентов-электриков по специальности «Электрооборудование и электрохозяйство предприятий, организаций и учреждений».

Учебник содержит многочисленные примеры решения задач, а также вопросы для самоконтроля.

Книга состоит из трех частей. Первая часть посвящена введению в электромеханическое преобразование энергии. В ней также дана теория трансформаторов и ее приложение к разновидностям подоб-

6

ных устройств. Во второй части рассматривается теория асинхронных машин, а также различные типы асинхронных машин, предназначенных для использования в электроприводе.

Третья часть посвящена синхронным машинам и машинам постоянного тока. Уделено внимание использованию этих машин в различных областях техники.

Автор считает своим долгом выразить благодарность профессору Кононенко К.Е. и профессору Качанову А.Н., рецензировавшим рукопись учебника, канд. техн. наук доц. Свидченко С.Ю. за замечания, способствующие улучшению книги, аспиранту Худотеплову П.А., а также студентам Куликову А.В. и Загрядцкому Ф.С. за помощь в работе.

7

1.ВВЕДЕНИЕ В ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

1.1. Значение электромеханического преобразования энергии

Несмотря на разнообразие конструкций, схем и различных способов возбуждения обмоток электрических машин и трансформаторов, все эти устройства объединяет то общее, что их работа основана на фундаментальных электроэнергетических процессах и сопровождается преобразованием энергии. Происходит превращение энергии из одной физической формы в другую, т.е. осуществляется электромеханическое преобразование:

электрической энергии одних параметров (напряжения и тока) в электрическую энергию других параметров при помощи магнитных устройств с взаимно неподвижными обмотками – трансформаторов; механической энергии в электрическую энергию и электрической энергии в механическую при помощи также магнитных устройств, у которых обмотка (обмотки) может перемещаться относительно неподвижной обмотки (обмоток) или полюсов, это генераторы и двигатели. В электромеханике широко используются машины, в которых полюса вращаются относительно обмотки (обмоток). Оба способа преобразования энергии равнозначны, хотя каждый способ име-

ет свои особенности.

Электромеханическое преобразование энергии связано с электрическим Е и магнитным Н полями, которые возникают в электрических машинах и трансформаторах при протекании токов в обмотках устройств.

Поскольку электрические машины и трансформаторы являются устройствами, содержащими ферромагнитные сердечники, электромагнитное поле сильнее проявляется через магнитное поле, чем электрическое.

Втрансформаторах стержневого (броневого) типа результирующее магнитное поле пульсирует во времени и неподвижно в пространстве.

Вэлектрических машинах формы существования магнитного поля более разнообразны. В машинах постоянного тока оно неизменно во времени и пространстве. В трехфазных машинах переменного тока магнитное поле изменяется во времени и пространстве. При этом оно вращается относительно создающих его неподвижных обмоток. Его называют вращающимся полем.

8

Втрансформаторах пульсирующее магнитное поле наводит ЭДС

вобмотках; в двигателях магнитное поле, взаимодействуя с током контура, способного перемещаться, заставляет его совершать круговое или линейное движение; в генераторах постоянное магнитное поле ротора при его вращении относительно обмоток статора наводит в них ЭДС.

Электромеханическое преобразование энергии всегда сопровождается потерями энергии, как в проводниках обмоток, так и в ферромагнитных сердечниках на гистерезис и вихревые токи. Во вращающихся машинах к ним добавляются механические потери, потери на вентиляцию, добавочные потери. Однако, несмотря на потери, современные достижения в области электромеханики позволили получить трансформаторы с коэффициентом полезного действия (КПД) 99,9 %, а генераторы – с КПД 98 %. Это говорит о высочайшей степени эффективности электромеханического или электромагнитного преобразования энергии, недостижимой в преобразователях иной физической природы (тепловых, гидравлических и др.).

1.2. Преобразование электрической энергии в трансформаторе

Однофазным двухобмоточным трансформатором называется статическое электромагнитное устройство переменного тока, содержащее две не связанные электрически обмотки и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной

9