Предисловие
Настоящая книга предназначена в качестве учебника по курсу «Электрические машины» для студентов высших технических учебных заведений, специализирующихся в области электрического привода и автоматизации промышленных установок, электроснабжения промышленных предприятий, электрооборудования судов, а также для студентов других специальностей, для которых курс «Электрические машины» читается в объеме 130—150 лекционных часов.
Порядок изложения материала в этом учебнике в основном подобен порядку, принятому в большинстве учебников по электрическим машинам, предназначенных для студентов электромеханических и электроэнергетических специальностей. Учебник состоит из двух частей. В них приведены общие сведения об электрических машинах, рассмотрены трансформаторы, изложены общие вопросы теории машин переменного тока, описаны асинхронные и синхронные машины, а также машины постоянного тока.
Первая часть учебника включает в себя общие сведения об электрических машинах, трансформаторы, общие вопросы теории машин переменного тока и асинхронные машины.
По каждому типу рассматриваемых электрических машин приведены вопросы общей теории, описаны особенности конструкции и характеристики машин нормального исполнения и микромашин. Принятый порядок изложения позволяет избежать излишних повторений материала при рассмотрении различных видов микромашин и более тесно увязать теорию их работы с общей теорией электрических машин данного типа.
Главное внимание уделено связи основных положений теории с эксплуатационными особенностями различных электрических машин и рассмотрению режимов работы машин в системах автоматизированного электропривода.
Второе издание первой части учебника дополнено новыми материалами - изложены современные тенденции применения элементов полупроводниковой техники (диодов, тиристоров, транзисторов) в электромагнитных схемах машин и системах их регулирования. Подробно рассмотрены трансформаторы для вентильных преобразователей; асинхронные двигатели, питаемых от преобразователей частоты; вентильный каскад.
Кроме того, рассмотрены некоторые специальные асинхронные машины, которые в последнее время начинают получать все большее применение (линейный асинхронный двигатель, асинхронный автономный генератор и электромагнитные индукционные насосы); описана также работа асинхронных двигателей при неноминальных условиях.
Авторы считают своим долгом выразить благодарность рецензентам данной книги - д-ру техн. наук, проф. В. В. Романову и коллективу кафедры «Электрические машины» Ленинградского политехнического института им. М. И. Калинина а также проф. А. В. Корицкому за ценные советы и предложения
Все замечания и пожелания по улучшению данного учебника просим направлять в издательство «Высшая школа» по адресу; 101430, Москва, ГСП-4, Неглинная ул., д. 29/14.
Введение
Прогресс современной науки и техники неразрывно связан с применением электрической энергии в различных производственных процессах и устройствах. Использованию электрической энергии в построении коммунистического общества большое значение придавал В. И. Ленин, выдвинувший гениальную формулу: «Коммунизм — это есть Советская власть плюс электрификация всей страны*. Коммунистическая партия и Советское правительство уделяют огромное внимание электрификации промышленности, транспорта, сельского хозяйства, быта населения и развитию электротехнической промышленности как технической базы электрификации. В новой редакции Программы КПСС, принятой XXVII съездом партии, указано, что коренным вопросом экономической стратегии партии является кардинальное ускорение научно-технического прогресса. При этом ключевую роль в осуществлении научно-технической революции и материализации новейших достижений науки и техники должен играть машиностроительный комплекс, важной составной частью которого является электромашиностроение.
Развитие экономики Советского Союза всегда основывалось на широкой электрификации всех отраслей народного хозяйства. В настоящее время по производству электрической энергии СССР занимает первое место в Европе и второе место в мире. В нашей стране успешно выполняется Энергетическая программа СССР. Советская энергетика ежегодно пополняется новыми крупными современными электростанциями с уникальными турбо- и гидрогенераторами, ускоренно развивается атомная энергетика.
Основные направления экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, принятые XXVII съездом КПСС, определяют широкое развитие электрификации, которая является основой технического прогресса, роста производительности труда и построения материально-технической базы коммунизма. Предусматривается повышение уровня электрификации производства и эффективности использования электроэнергии; развитие ускоренными темпами электроэнергетики и электротехнической промышленности; увеличение производства электроэнергии к 1990 г. до 1840—1880 млрд. кВт•ч, в том числе на атомных электростанциях до 390 млрд. кВт•ч. В европейской части страны и на Урале намечено построить крупные атомные электростанции, а в восточных районах страны — конденсационные тепловые электросанции единичной мощностью 4 — 6 млн. кВт и гидроэлектростанции. Будет продолжено формирование Единой энергетической системы страны, строительство межсистемных линий электропередачи напряжением 500, 750 и 1150 кВ переменного тока и напряжением 1500 кВ постоянного тока, а также распределительных сетей.
В осуществлении ленинских идей электрификации народного хозяйства СССР и выполнении заданий XXVII съезда весьма важная роль принадлежит электромашиностроению, так как электрические машины являются основными элементами энергетических установок, различных машин, механизмов, технологического оборудования, современных средств транспорта, связи и др. Как известно, электрические машины вырабатывают электрическую энергию, осуществляют высокоэкономичное преобразование ее в механическую, выполняют разнообразные функции по преобразованию и усилению различных сигналов в системах автоматического регулирования и управления.
Электрические машины широко применяют во всех отраслях народного хозяйства. Их преимущества — высокий КПД, достигающий в мощных электрических машинах 95 — 99 %, сравнительно малая масса и габаритные размеры, а также экономное использование материалов. Электрические машины могут быть выполнены на различные мощности (от долей ватта до сотен мегаватт), частоты вращения и напряжения. Они характеризуются высокой надежностью и долговечностью, простотой управления и обслуживания, удобством подвода и отвода энергии, а также небольшой стоимостью при массовом и крупносерийном производстве.
Теоретическим фундаментом для развития электромашиностроения послужили открытие М. Фарадеем закона электромагнитной индукции и работы Д. Максвелла и Э. Ленца. На основании теоретических исследований этих ученых уже в середине XIX в. появились первые образцы электрических машин и трансформаторов. Большие заслуги в разработке первых образцов электрических машин и трансформаторов принадлежат выдающимся русским ученым и изобретателям, среди которых особенно можно выделить Б. С. Якоби, П. Н. Яблочкова и М. О. Доливо-Добровольского. В конце XIX и начале XX вв. были известны практически все виды электрических машин и в основном создана их теория.
Двадцатое столетие характеризуется бурным развитием электромашиностроения, причем непрерывно возрастают как количество выпускаемых электрических машин, так и их размеры и мощность; непрерывно совершенствуется конструкция электрических машин, повышается их надежность и снижается масса, приходящаяся на единицу мощности. Развертывается массовое производство электрических микромашин для различных автоматических устройств и электробытовых приборов.
Эти успехи в электромашиностроении были бы немыслимы без дальнейшего совершенствования методов расчета и уточнения теории электрических машин, особенно в области переходных процессов, возникающих при резких колебаниях нагрузки и в аварийных режимах. Большая заслуга в дальнейшем развитии теории электрических машин, совершенствовании их конструкции и методов расчета принадлежит советским ученым: А. Е. Алексееву, Б. П. Апарову, А. И. Важнову, А. И. Вольдеку, Ф. А. Горяинову, А. А. Гореву, Д. А. Завалишину, В. Т. Касьянову, М. П. Костенко, К. А. Кругу, В. С. Кулеба-кину, С. И. Курбатову, А. Н. Ларионову, Р. А. Лютеру, Г. Н. Петрову, Л. М. Пиотровскому, В. А. Толвинскому, И. Д. Урусову, Ю. С. Чечету, К. И. Шенферу и др.
В последние годы появились новые электротехнические устройства, выполняющие такие же функции по преобразованию энергии, как и электрические машины, но основанные на других теоретических принципах. Это в первую очередь статические преобразователи электрической энергии, выполненные на полупроводниковых приборах (выпрямители, инверторы, преобразователи частоты), которые довольно быстро вытесняют электромашинные преобразователи; новые виды генераторов электрической энергии, которые не имеют вращающихся частей (магнитногидродинамические генераторы, электроэмиссионные генераторы и др.) и, вероятно, в будущем смогут соперничать с обычными электромашинными генераторами. Появились новые конструкции электродвигателей, у которых подвижная часть совершает не вращательное, а линейное поступательное движение. Однако электрические машины традиционного исполнения и в будущем останутся важнейшими источниками электрической энергии и ее преобразователями.
В СССР за годы Советской власти электромашиностроение достигло огромных успехов. Если в дореволюционной России по существу не было электромашиностроительной промышленности, то теперь изделия таких крупных электромашиностроительных заводов, как «Электросила», «Динамо», Харьковский электромеханический завод, Харьковский «Электротяжмаш», Ярославский электромеханический завод, Московский и Запорожский трансформаторные заводы, «Уралэлектротяжмаш», завод им. Владимира Ильича и другие, известны во многих странах мира.
За последнее время в нашей стране произошел значительный рост производства электрических машин и трансформаторов. Разработаны и осваиваются новые унифицированные серии электрических машин: асинхронных электродвигателей общего применения, взрывозащищенных и высоковольтных асинхронных двигателей, машин постоянного тока, крановых и тяговых двигателей, турбогенераторов мощностью 63 — 800 мВт, гидрогенераторов мощностью 350 — 640 мВт, трансформаторов, разнообразных микромашин и др. Их изготовляют на специализированных предприятиях с широким использованием механизации и автоматизации производственных процессов и автоматических линий. Выпускаются и уникальные машины и трансформаторы большой единичной мощности. Освоен ряд новых магнитных, проводниковых и электроизоляционных материалов, позволивших улучшить массогабаритные и энергетические показатели машин и механизировать технологические процессы их производства.
Новые единые серии электрических машин разработаны на основе международного разделения труда в рамках организации социалистических стран «Интерэлектро».
Созданы научнопроизводственные объединения в Москве, Ленинграде, Киеве, Харькове, Новочеркасске, Риге, Свердловске, Томске и других городах, где ведется большая научная работа по созданию новых типов и более совершенных конструкций электрических машин, повышению их энергетических показателей и улучшению технологии производства.
В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных XXVII съездом КПСС, указано, что электротехническая промышленность должна решать новые, большие задачи по повышению технического уровня электромашиностроения. Предстоит развивать быстрыми темпами производство электрических машин большой, средней и малой мощности: существенно увеличить выпуск турбогенераторов единой унифицированной серии мощностью до 800 тыс. кВт, турбогенераторов единичной мощностью 1 млн. кВт с повышенной надежностью для атомных электростанций, новой серии электродвигателей переменного тока мощностью до 400 кВт; опережающими темпами наращивать выпуск автоматизированных электроприводов, развивать высокоавтоматизированное производство электродвигателей. Особое внимание необходимо уделять разработке и освоению выпуска электрооборудования, имеющего более высокие надежность и энергетические показатели, меньшую трудоемкость, металлоемкость и удельный расход электротехнических материалов.
* Ленин В. И. Поли. собр. соч., т. 42, с. 159.