Электрические машины
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Кобозев Владимир Анатольевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 480
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0873-8
Артикул: 791385.01.99
Изложены основы теории электрических машин постоянного тока, трансформаторов, синхронных и асинхронных электрических машин, описаны их устройство, принцип действия и режимы работы, приведены основные
уравнения и характеристики. Подробно рассмотрены режимы несимметричной нагрузки трехфазных трансформаторов и несимметричного питания асинхронных двигателей, методы и средства энергосбережения в электроприводе с асинхронными двигателями. Для студентов, обучающихся по профилю «Электроснабжение» направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» и других электротехнических профилей, а также для занятых в этой области инженерно-технических работников.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
. . «-» 2022
621.3 31.2 55 : . . ., . . ; (. . ., . . ); . . ., . . , . . 55 : / . . . – ; : -, 202. – 480 . : ., . ISBN 978-5-9729-0873-8 , , , - , , . - , - . , «» - «» - , - . 621.3 31.2 ISBN 978-5-9729-0873-8 © . ., 2022 © «-», 2022 © . «-», 2022
ПРЕДИСЛОВИЕ При подготовке учебного пособия автор опирался на многолетний опыт чтения курса лекций по дисциплине «Электрические машины» студентам, обучающимся по профилю «Электроснабжение» на- правления подготовки «Электроэнергетика и электротехника» и дру- гих электротехнических специальностей, а также на опыт исследова- тельской и практической деятельности в этой области. Первое издание пособия в двух частях вышло в 2015 г., и было ориентировано главным образом на подготовку специалистов элек- тротехнического профиля в региональных учебных заведениях, в про- граммах которых предусматривался данный курс. Неожиданно для автора оказалось, что пособие вызвало гораздо более широкий интерес, и было включено в качестве основной и до- полнительной литературы в рабочие программы дисциплины «Элек- трические машины» высших и средних специальных учебных заведе- ний различных профилей и направлений подготовки далеко за преде- лами региона. В ряде случаев оно рекомендовано по некоторым смеж- ным дисциплинам: «Электрические машины и аппараты», «Электрон- ные и электромеханические устройства» и другим. Это явилось главной причиной подготовки нового издания. Со- хранив последовательность изложения и основное содержание, автор счел целесообразным объединение двух частей предыдущего издания в одной книге, и внес определенные изменения и дополнения, улуч- шающие ее качество. В первую очередь это относится к вопросам, теории и практики электрических машин, связанным с качеством электроэнергии в электрических сетях, которые, по мнению автора, весьма важны для специалистов в области электроснабжения, но пока недостаточно полно рассматриваются в существующих изданиях. Особое внимание уделено режимам несимметричной нагрузки трехфазных трансформаторов и несимметричного питания асинхрон- ных двигателей, способам улучшения качества электроэнергии с по- мощью специальных трансформаторов и автотрансформаторов, а так- же методам и средствам энергосбережения в электроприводе с асин- хронными двигателями.
ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие состоит из пяти разделов, каждый из которых представляет собой самостоятельный модуль, посвященный изучению определенного класса электрических машин. Первый раздел, состоящий из шести глав, посвящен электриче- ским машинам постоянного тока. В первой главе рассматриваются общие вопросы теории элек- трических машин постоянного тока: их конструкция и принцип дейст- вия, преобразования энергии, устройство обмоток якоря. Вторая глава посвящена изучению магнитного поля, анализу ЭДС, электромагнитного момента, и реакции якоря МПТ. Рассматри- ваются коммутационные процессы и способы улучшения коммутации. В третьей главе анализируются механические и электромеха- нические характеристики машин постоянного тока с независимым и параллельным возбуждением в двигательном и тормозных режимах работы, и пути реализации этих режимов. Четвертая глава посвящена анализу особенностей характери- стик и режимов работы двигателей постоянного тока с последователь- ным и смешанным возбуждением. В пятой главе рассматриваются назначение, способы возбужде- ния и характеристики генераторов постоянного тока, особенности их включения на параллельную работу. Шестая глава посвящена изучению способов управления и ха- рактеристик исполнительных двигателей постоянного тока, которые применяются при высоких требованиях к регулированию. Второй раздел посвящен изучению трансформаторов, которые являются не только важнейшими элементами систем электроснабже- ния, но и находят широкое применение в блоках питания, выпрямите- лях, электросварке и других электроустановках. Седьмая глава посвящена изучению устройства, принципа дей- ствия, основных уравнений и способов приведения параметров транс- форматоров к одной ступени напряжений. В восьмой главе рассматриваются векторные диаграммы транс- форматоров, Т-образная и Г-образная схемы замещения, способы оп- ределения их параметров по опытам холостого хода и короткого за- мыкания и расчета по паспортным данным. Девятая глава посвящена анализу внешних и энергетических характеристик трансформаторов.
В десятой главе излагаются общие особенности трехфазных трансформаторов, рассматриваются способы маркировки выводов об- моток, схемы и группы их соединения. В одиннадцатой главе приведены методы расчета режимов не- симметричной нагрузки трехфазных трансформаторов, анализируется сопротивление нулевой последовательности при различных схемах соединения обмоток, дается оценка внешних и энергетических харак- теристик и влияния мощных однофазных потребителей на характери- стики трехфазных трансформаторов. В двенадцатой главе рассматривается регулирование вторичного напряжения трансформаторов с ПБВ и РПН. Предложена новая схема замещения трансформаторов с регулировочными отпайками и методика расчета ее параметров. Дан анализ условий включения трансформаторов на параллельную работу. Тринадцатая глава посвящена изучению переходных процессов, возникающих при включении трансформаторов на холостой ход и внезапных коротких замыканиях, и анализу их последствий. В четырнадцатой главе изложены особенности конструкции, характеристики и области применения многообмоточных трансформаторов, автотрансформаторов и преобразователей числа фаз. Особое внимание уделено возможности использования автотрансформаторов для повышения качества напряжений в электрических сетях. В пятнадцатой главе рассматриваются специфические особенности расчета токов, напряжений и мощности трансформаторов, работающих в составе различных схем выпрямления. В шестнадцатой главе изложены особые требования к сварочным трансформаторам, которые должны обеспечивать надежное зажигание, устойчивое горение дуги, и регулирование тока сварки. В семнадцатой главе приведен анализ режимов работы и способов повышения точности измерительных трансформаторов тока и напряжения, применяемых в системах электроснабжения для измерения больших токов и высоких напряжений. В третьем разделе изложены общие вопросы теории синхронных и асинхронных электрических машин, принцип действия которых основан на использовании вращающегося магнитного поля, получаемого посредством расположенных на статоре многофазных обмоток, в которых генерируются необходимые для их работы ЭДС и создаются магнитодвижущие силы.
В восемнадцатой главе рассматриваются общие принципы исполнения обмоток, распределенные обмотки, обмотки с укороченным шагом, скос пазов, а также обмоточный коэффициент и ЭДС обмоток. Девятнадцатая глава посвящена анализу пульсирующего магнитного поля однофазных обмоток, образованию и аналитическому описанию вращающегося магнитного поля трехфазных и ортогональных двухфазных обмоток. В четвертом разделе излагаются основы теории синхронных электрических машин. В двадцатой главе приведены основные сведения о назначении и устройстве явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин, принципе действия синхронных генераторов и двигателей, показано, что основной магнитный поток создается специальной обмоткой возбуждения, которая получает питание от источника постоянного тока. Рассматриваются характеристики холостого хода и виды реакции якоря, возникающей в синхронных машинах при работе под нагрузкой. В двадцать первой главе изложен анализ уравнений ЭДС, внешних и регулировочных характеристик явнополюсных и неявнополюсных синхронных генераторов, показано, что изменение потока возбуждения позволяет воздействовать на эти характеристики, изложена методика определения индуктивных сопротивлений и отношения короткого замыкания синхронных машин. В двадцать второй главе даны вывод уравнения электромагнитного момента, анализ угловых характеристик, условий статической устойчивости явнополюсных и неявнополюсных синхронных машин и способов ее повышения. Двадцать третья глава посвящена параллельной работе синхронных генераторов сетью. Изложены условия включения их на па- раллельную работу, приведен анализ U-образных характеристик и ре- жимов работы синхронных машин по реактивной мощности, рассмот- рен принцип действия синхронного компенсатора в режимах компен- сации реактивной мощности и стабилизации напряжения. Двадцать четвертая глава посвящена изучению синхронных двигателей. Рассматриваются способы их пуска, работа при постоян- ном моменте сопротивления и при неизменном токе возбуждения, приводятся типовые рабочие характеристики. Показано, что важней- шее преимущество синхронных двигателей заключаются в их способ- ности генерировать в сеть реактивную мощность.
Пятый раздел пособия посвящен асинхронным машинам, кото- рые характеризуются трансформаторной связью между обмотками статора и ротора, и с теоретической точки зрения имеют много общего с трансформаторами. В двадцать пятой главе рассматриваются принцип действия и конструкция асинхронных машин с короткозамкнутым и фазным ро- тором, приведение ЭДС, токов, и сопротивлений ротора к обмотке статора, вывод уравнений и схем замещения асинхронной машины, излагается методика опытного определения ее параметров. В двадцать шестой главе приведен анализ полезной мощности на валу машины, ее механических и рабочих характеристик, изложена методика построения механических характеристик по каталожным данным с учетом пространственных гармоник магнитного поляДвадцать седьмая глава посвящена специальным режимам ра- боты асинхронных машин: генераторному и электромагнитному тор- можению, асинхронному генератору с самовозбуждением, асинхрон- ным преобразователям частоты. В двадцать восьмой главе дано обоснование и методика по- строения круговой диаграммы, и анализа с ее помощью режимов ра- боты и характеристик асинхронной машины. Значение таких диа- грамм, как средства расчета в настоящее время утрачено, но они дают наглядное представление о количественных и качественных взаимо- связях токов, мощностей, моментов и других параметров асинхронной машины во всех режимах работы, поэтому их роль в общей теории электрических машин остается весьма значительной. В двадцать девятой главе излагаются общие требования к пус- ковым характеристикам АД, дается анализ потерь энергии при раз- личных способах и условиях пуска (пуск под нагрузкой, при пони- женном напряжении, в условиях соизмеримой мощности). Рассматри- ваются двигатели с улучшенными пусковыми свойствами, способы и устройства для улучшения пусковых характеристик. В тридцатой главе анализируются способы регулирования час- тоты вращения АД путем изменения скольжения, переключения числа пар полюсов и частотного регулирования. Тридцать первая глава позволяет более глубоко ознакомиться с проблемой эксплуатации АД при отклонениях и несимметрии напря- жений. Показано, что снижение напряжения приводит к уменьшению мощности и электромагнитного момента, а при несимметрии возника- ет тормозной момент, возрастают потери мощности, снижается КПД.
, - , . , - . , - , - , , . . - , - , , , . - . , , . . , - , , - . - ..., - . . , (..., - . . ), - . . , - . . .
РАЗДЕЛ 1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА 1.1. Назначение, конструкция и принцип действия МПТ Любая электрическая машина осуществляет преобразование электрической энергии в механическую (при использовании в качест- ве двигателя), или наоборот, механической энергии – в электрическую (при использовании в качестве генератора). Электрические машины постоянного тока (МПТ) обладают свойством обратимости, и могут использоваться как в качестве двига- телей, так и в качестве генераторов, в обоих случаях имеет место элек- троэнергия постоянного тока. Двигатели постоянного тока (ДПТ) имеют хорошие пусковые свойства, обладают отличными регулировочными свойствами, позво- ляют получить как очень малые, так и большие частоты вращения, и различные механические характеристики, позволяют относительно просто и эффективно реализовывать не только двигательный, но и тормозные режимы работы. Это обусловило преимущественные об- ласти их применения: регулируемый электропривод систем автомати- ки, станков, прокатных станов, электрического транспорта и др., не- смотря на то, что для МПТ характерны и серьезные недостатки. Генераторы постоянного тока (ГПТ) используются в качестве возбудителей цепей возбуждения мощных синхронных машин, в це- ховых сетях постоянного тока, для зарядки аккумуляторов и питания электролитических ванн, в электросварке, в устройствах автоматики. Промышленность выпускает электрические машины постоянно- го тока, которые различаются мощностью, частотой вращения, конст- руктивным исполнением. Подавляющее применение находят коллек- торные МПТ, отличительным признаком которых является наличие расположенного на валу ротора коллектора. Любая электрическая машина постоянного тока, электромаг- нитная схема и условные обозначения основных элементов которой показаны на рис. 1.1, состоит из двух основных частей: статора 1 и ротора 2, разделенных между собой воздушным зазором.
Статор и ротор во всех электрических машинах объединяется с помощью подшипниковых щитов, которые являются опорной конст- рукцией для вращающегося вала. Статор МПТ состоит из станины с расположенными на ней главными полюсами и обмотками возбуждения. Станина является ча- стью магнитной цепи, по которой замыкается создаваемый обмотками возбуждения магнитный поток, поэтому ее изготавливают из стали, которая обладает не только необходимой механической прочностью, но и высокой магнитной проницаемостью. Главные полюсы представляют собой полюсные наконечники 5 с обмоткой возбуждения 6. Обмотки возбуждения бывают двух типов: параллельного (Ш1 – Ш2) и последовательного (С1 – С2). Их также называют шунтовыми и сериесными обмотками. Во многих МПТ имеются также добавочные полюсы, которые служат для компенсации реакции якоря, уменьшения искрения под щетками, и предотвращения возникновения «кругового огня». Обмотки добавочных полюсов Д1 – Д2 включаются последовательно с обмоткой якоря. Главные и доба- вочные полюсы изготавливают путем шихтовки штампованных лис- тов электротехнической стали определенной формы. В микромашинах основной поток возбуждения может созда- ваться постоянными магнитами. ЭДС в электрических машинах постоянного тока индуктируется во вращающейся части, поэтому ротор МПТ называют якорем, а рас- положенную на нем обмотку 3 – обмоткой якоря. Магнитная система (сердечник) якоря представляет собой набор изолированных между собой штампованных листов электротехниче- ской стали определенной формы с пазами для укладки секций обмот- Я1 Я2 Д1 Д2 Ш1 Ш2 С1 С2 Рисунок 1.1 − Электромагнитная схема (а) и условные обозначения основных элементов машины постоянного тока (б) 6 7 5 4 3 2 1 а) б)