Электрические машины и микромашины
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Электроэнергетика. Электротехника
Издательство:
Сибирский федеральный университет
Автор:
Пантелеев Василий Иванович
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 276
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-7638-4589-1
Артикул: 814737.01.99
С позиций теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии изложено математическое описание и даны характеристики общепромышленных электрических машин, исполнительных электродвигателей и специальных электрических машин систем автоматики. Существенное внимание уделено вопросам их управления.
Предназначено бакалаврам подготовки направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно и для обучающихся в магистратуре, а также инженерам, работающим в области проектирования и эксплуатации промышленных систем автоматики.
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Оглавление 1 Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Сибирский федеральный университет В. И. Пантелеев ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ И МИКРОМАШИНЫ Учебное пособие Красноярск СФУ 2022
Электрические машины и микромашины
2
УДК 621.313(07)
ББК 31.2я73
П166
Р е ц е н з е н т ы:
Б. В. Лукутин, профессор, доктор технических наук, профессор Инженерной школы энергетики Томского политехнического университета;
Н. И. Щуров, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой электротехнических комплексов Новосибирского государственного
технического университета
Пантелеев, В. И.
П166 Электрические машины и микромашины : учеб. пособие /
В. И. Пантелеев. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2022. – 276 с.
ISBN 978-5-7638-4589-1
С позиций теории обобщенного электромеханического преобразователя
энергии изложено математическое описание и даны характеристики общепромышленных электрических машин, исполнительных электродвигателей и специальных электрических машин систем автоматики. Существенное внимание уделено вопросам их управления.
Предназначено бакалаврам подготовки направления 13.03.02 «Электроэнергетика и электротехника». Может быть полезно и для обучающихся в магистратуре, а также инженерам, работающим в области проектирования и эксплуатации промышленных систем автоматики.
Электронный вариант издания см.:
http://catalog.sfu-kras.ru
УДК 621.313(07)
ББК 31.2я73
ISBN 978-5-7638-4589-1 © Сибирский федеральный
университет, 2022
Оглавление 3 ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ ........................................... 8 ПРЕДИСЛОВИЕ ............................................................................................... 10 ВВЕДЕНИЕ ....................................................................................................... 12 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ .............. 15 1.1. Вводные понятия. Основные части конструкции электрических машин .......................................................................... 15 1.2. Принципы действия и устройство электрических машин ................ 16 1.2.1. Вращающееся магнитное поле .................................................. 16 1.2.2. Устройство и принцип действия асинхронных машин .......... 18 1.2.3. Устройство и принцип действия синхронных машин ............. 20 1.2.4. Устройство и принцип действия электрических машин постоянного тока ........................................................................ 21 1.3. Законы электромеханики ..................................................................... 23 2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ............................................................ 26 2.1. Физические явления в электромеханическом преобразователе энергии ..................................................................... 26 2.2. Простейшая модель электромеханического преобразователя энергии .................................................................... 31 2.3. Уравнения электромеханического преобразования энергии ........... 33 2.3.1. Уравнения трехфазной машины ............................................... 33 2.3.2. Преобразование координат ....................................................... 35 2.3.3. Замена переменных ................................................................... 38 2.3.4. Уравнения электромеханического преобразователя энергии в форме переменных состояний .............................................. 40 2.4. Электромагнитный момент электромеханического преобразователя энергии .................................................................... 41 3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОБМОТКАХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ................................................................... 43 3.1. Обмотки машин переменного тока ..................................................... 43 3.2. Электродвижущая сила в обмотках электрических машин переменного тока ................................................................................. 47 3.3. Магнитодвижущие силы обмотки ...................................................... 50 3.4. Обмотки машин постоянного тока ..................................................... 52 3.5. Электродвижущая сила обмотки якоря .............................................. 53
Электрические машины и микромашины 4 4. ТРАНСФОРМАТОРЫ ................................................................................. 56 4.1. Основные соотношения ....................................................................... 57 4.2. Холостой ход трансформатора ............................................................ 60 4.3. Работа трансформатора на нагрузку ................................................... 63 4.4. Эквивалентная схема замещения трансформатора ........................... 65 4.5. Короткое замыкание трансформатора ................................................. 68 4.6. Потери и коэффициент полезного действия трансформатора .......... 69 4.7. Нагрев и охлаждение трансформаторов ............................................. 71 4.8. Трехфазные трансформаторы. Параллельная работа трансформаторов .................................................................................. 71 4.9. Автотрансформаторы ........................................................................... 75 4.10. Измерительные трансформаторы ...................................................... 77 4.11. Пик-трансформаторы, импульсные трансформаторы .................... 79 4.12. Трансформаторы для выпрямительных устройств ......................... 81 5. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ОБЩЕПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ ....................................... 85 5.1. Режимы работы асинхронных машин ................................................ 85 5.2. Асинхронный двигатель при неподвижном роторе .......................... 87 5.3. Математическое описание процессов преобразования энергии в асинхронном двигателе .................................................................... 90 5.4. Векторная диаграмма и схема замещения асинхронного двигателя ...................................................................... 92 5.5. Энергетическая диаграмма, потери и коэффициент полезного действия асинхронного двигателя ................................... 95 5.6. Вращающий момент двигателя ........................................................... 96 5.7. Механическая характеристика асинхронного двигателя ................. 98 5.8. Процесс пуска асинхронного двигателя .......................................... 100 5.9. Регулирование скорости трехфазного асинхронного двигателя .................................................................... 101 5.9.1. Параметрическое регулирование скорости асинхронного двигателя ......................................................... 102 5.9.2. Регулирование скорости асинхронного двигателя изменением питающего напряжения ................................... 104 5.9.3. Частотное регулирование скорости асинхронного двигателя ......................................................... 105 5.9.4. Частотно-токовое управление асинхронного двигателя ......................................................... 109 5.9.5. Векторное управление асинхронного двигателя .................. 110 5.10. Рабочие характеристики асинхронного двигателя ....................... 112
Оглавление 5 6. АСИНХРОННЫЕ МИКРОМАШИНЫ ОБЩЕГО ПРИМЕНЕНИЯ ...................................................................... 114 6.1. Однофазные асинхронные двигатели ............................................... 114 6.2. Конденсаторные двигатели ............................................................... 116 6.3. Двигатели с экранированными полюсами ........................................ 118 7. АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ СПЕЦИАЛЬНОГО ИСПОЛНЕНИЯ ...................................................... 120 7.1. Асинхронные гироскопические двигатели ...................................... 120 7.2. Линейные асинхронные двигатели .................................................... 121 8. АСИНХРОННЫЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ .................... 123 8.1. Основные требования к исполнительным микродвигателям ........ 123 8.2. Конструкция и принцип действия исполнительных асинхронных двигателей ................................................................... 124 8.3. Способы управления исполнительных асинхронных двигателей ................................................................... 127 8.4. Механические и регулировочные характеристики исполнительных асинхронных двигателей ..................................... 130 8.5. Динамические свойства исполнительных асинхронных двигателей ................................................................... 136 9. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ .................................................................... 138 9.1. Области применения и устройство синхронных генераторов промышленной частоты .................................................................... 138 9.2. Принцип действия и реакция якоря синхронного генератора .................................................................... 139 9.3. Математическое описание синхронных машин .............................. 142 9.4. Векторные диаграммы синхронных генераторов ........................... 144 9.5. Характеристики синхронного генератора ........................................ 147 9.6. Классификация синхронных двигателей ......................................... 148 9.7. Синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением ........ 149 9.8. Электромагнитная мощность и момент синхронного двигателя ..................................................... 152 9.9. Синхронные реактивные двигатели ................................................. 156 9.10. Субсинхронные (индукторные) двигатели .................................... 159 9.11. Синхронные гистерезисные двигатели .......................................... 163 9.12. Шаговые двигатели .......................................................................... 165 9.12.1. Области применения, классификация и требования, предъявляемые к шаговым двигателям ............................ 165 9.12.2. Основные характеристики и параметры шаговых двигателей ..................................... 166 9.12.3. Принцип действия и особенности конструкций шаговых двигателей ............................................................ 169
Электрические машины и микромашины 6 9.12.4. Характер движения ротора и математическое описание шаговых двигателей ............ 171 9.13. Управление скоростью синхронных двигателей ............................ 174 10. МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА .................................................... 178 10.1. Общие вопросы теории машин постоянного тока ....................... 178 10.1.1. Конструктивные особенности и разновидности машин постоянного тока ..................... 178 10.1.2. Реакция якоря ...................................................................... 179 10.1.3. Коммутация ......................................................................... 181 10.1.4. Уравнения машин постоянного тока ................................. 182 10.1.5. Электромагнитный момент машины................................. 183 10.1.6. Потери и коэффициент полезного действия машины постоянного тока ................................................................ 184 10.2. Генераторы постоянного тока ........................................................ 185 10.2.1. Генераторы с независимым возбуждением ...................... 186 10.2.2. Генераторы с параллельным возбуждением .................... 188 10.3. Двигатели постоянного тока ........................................................... 190 10.3.1. Пусковые характеристики ................................................. 191 10.3.2. Двигатели с параллельным возбуждением ...................... 192 10.3.3. Двигатели с последовательным возбуждением .............. 194 10.3.4. Способы регулирования скорости .................................... 195 11. ВЕНТИЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ............................................................... 197 12. ИСПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ....... 200 12.1. Исполнительные двигатели постоянного тока с якорным управлением ................................................................ 201 12.2. Исполнительные двигатели постоянного тока с полюсным управлением ............................................................. 204 12.3. Динамические свойства и передаточная функция исполнительных двигателей постоянного тока .......................... 207 12.4. Некоторые модификации исполнительных двигателей постоянного тока ............................................................................ 209 13. ЭЛЕКТРОМАШИННЫЕ УСИЛИТЕЛИ .............................................. 211 13.1. Принцип действия электромашинных усилителей поперечного поля ........................................................................... 211 13.2. Характеристики электромашинных усилителей ......................... 213 14. ПОВОРОТНЫЕ (ВРАЩАЮЩИЕСЯ) ТРАНСФОРМАТОРЫ ......... 216 14.1. Назначение, устройство и принцип действия .............................. 216 14.2. Синусно-косинусные вращающиеся трансформаторы .............. 217 14.3. Симметрирование синусно-косинусных вращающихся трансформаторов ................................................... 220 14.4. Линейный вращающийся трансформатор .................................... 221
Оглавление 7 14.5. Вращающийся трансформатор-построитель (преобразователь координат) ........................................................ 223 14.6. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор в режиме фазовращателя ............................................................... 226 14.7. Многополюсные вращающиеся трансформаторы, редуктосины, индуктосины .......................................................... 228 14.8. Датчики угла на основе вращающихся трансформаторов ......... 230 15. СЕЛЬСИНЫ .............................................................................................. 232 15.1. Принцип действия систем синхронной связи .............................. 232 15.2. Конструкция сельсинов ................................................................. 233 15.3. Работа однофазных сельсинов в индикаторном режиме ............ 234 15.4. Работа однофазных сельсинов в трансформаторном режиме ......................................................... 241 15.5. Дифференциальные сельсины ....................................................... 243 15.6. Магнесины ....................................................................................... 244 16. ТАХОГЕНЕРАТОРЫ ............................................................................... 246 16.1. Асинхронные тахогенераторы ....................................................... 246 16.2. Синхронные тахогенераторы ......................................................... 249 16.3. Тахогенераторы постоянного тока ................................................ 250 17. ПРИМЕНЕНИЕ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В СИСТЕМАХ И УСТРОЙСТВАХ АВТОМАТИКИ ... 254 17.1. Интегрирующий элемент на базе исполнительного асинхронного двигателя ............................................................... 254 17.2. Автоматическое умножающее устройство на вращающихся трансформаторах ............................................. 255 17.3. Электромеханическое дифференцирование и интегрирование ........................................................................... 256 18. ВЫБОР ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ............................................. 259 18.1. Выбор мощности исполнительного двигателя систем автоматического управления ........................................................ 260 18.2. Выбор исполнительного двигателя и расчет параметров позиционных следящих систем малой мощности ...................... 266 18.2.1. Общий подход к расчету привода позиционной следящей системы ............................................................. 266 18.2.2. Расчет привода при линейных механических характеристиках двигателя .............................................. 268 18.2.3. Расчет привода при нелинейных механических характеристиках ...................................... 270 ЗАКЛЮЧЕНИЕ .............................................................................................. 273 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .............................................................................. 274
Электрические машины и микромашины 8 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ АД − асинхронный двигатель АИН − автономный инвертор напряжения AM − асинхронные машины АСГ − асинхронизированный генератор AT − автотрансформатор АТГ − асинхронный тахогенератор ВАХ – вольт-амперная характеристика ВД − вентильный электродвигатель ВТ − вращающийся трансформатор ГД − гистерезисный двигатель ГО – грубый отсчет ГЭС − гидроэлектростанция ДН − датчик значения выходного напряжения ДО − дополнительная обмотка ДПР − датчик положения ротора ДПТ − двигатель постоянного тока ДС – дифференциальный сельсин ДТ − датчик тока ДФГ – двухфазный генератор ДЧ − датчик частоты И − инвертор ИАД – исполнительный асинхронный двигатель ИД – исполнительный двигатель ИДПТ – исполнительный двигатель постоянного тока ИМ − исполнительный механизм ИП − источник питания ИТ − инвертор тока КЗ − короткое замыкание КО − компенсационная обмотка КПД − коэффициент полезного действия ЛАД − линейный асинхронный двигатель ЛВТ – линейный вращающийся трансформатор МВТ – масштабный вращающийся трансформатор МДС − магнитодвижущая сила МПТ − машина постоянного тока Н – нагрузка НПЧ − непосредственный преобразователь частот
Список используемых сокращений 9 НС − намагничивающая сила ОВ − обмотка возбуждения ООС − отрицательная обратная связь ОУ − объект управления ПКН − преобразователь координат напряжения ПКТ − преобразователь координат тока ПС − подстанция ПЧ − преобразователь частоты ПФК – преобразователь «фаза-код» РН − регулятор напряжения РО − регулирующий орган PC − регулятор скорости РТ − регулятор тока САР − система автоматического регулирования САУ − система автоматического управления СРД − синхронный реактивный двигатель СГ − синхронный генератор СГД − синхронный гистерезисный двигатель СД − синхронный двигатель СКВТ – синусно-косинусный вращающийся трансформатор СМ − синхронная машина СРД – синхронный реактивный двигатель СС – сельсин СД – сельсин-датчик СП – сельсин-приёмник СУВ − система управления выпрямителем ТГ − тахогенератор ТН − трансформатор напряжения ТО – точный отсчет ТП − тиристорный преобразователь ТР − трансформатор ТТ − трансформатор тока УВ − управляемый выпрямитель ФП − функциональный преобразователь ЧУ – частотное управление ЧТУ – частотно-токовое управление ЭДС − электродвижущая сила ЭМ − электрическая машина ЭМП − электромеханический преобразователь ЭМПЭ − электромеханический преобразователь энергии ЭМУ − электромашинный усилитель ЭП − электропривод
Электрические машины и микромашины 10 ПРЕДИСЛОВИЕ Автор должен сразу предупредить читателя, что настоящее учебное пособие рассматривает в качестве альтернативного. Побудительным мотивом для его написания явилось то обстоятельство, что читаемый в наше время курс «Электрические машины» для студентов-электриков по своему содержанию и изложению практически не отличается от того, который преподавали более полувека назад. Существующие учебники построены на общепринятых в начальный период развития допущениях и положениях, которые устарели и могут быть сняты или уменьшена их категоричность. Освещенные в учебниках вопросы теории приемлемы для статических, в большинстве случаев номинальных, режимов работы. Исследование процессов в динамических режимах работы (например асинхронных машин) рассматривается во множестве статей и монографий, но они не доведены до необходимой точности и общепринятых применений по известным причинам. Более 50 % устройств работают в динамических режимах с постоянными переходными электромагнитными и механическими процессами. То есть этот курс преподают так, будто бы молодые специалисты будут проектировать электрические машины, а не использовать их для реализации тех или иных технологий в своей профессиональной области. Но ведь выпускники данного направления, кроме профилируемых по электромеханике, вряд ли будут связаны с этим профессионально. Поэтому автор счёл необходимым изложить курс с позиций пользователя, или «потребителя», электрических машин, используя в качестве основного методического подхода к излагаемому курсу основы теории обобщённой электрической машины, или, говоря несколько иначе, с позиций теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии. Практика преподавания подобного курса, опыт работы в области создания и изучения точных следящих электроприводов и общение со своими бывшими студентами, занимающимися проектированием и исследованием локальных систем автоматики, убеждают в том, что изучение электрических машин и электромашинных устройств с позиций теории обобщенного электромеханического преобразователя энергии имеет фундаментальное значение для будущих инженеров. Такой подход при методически правильном изложении не увеличивает сколько-нибудь значительно объем изучаемого материала, но позволяет ознакомить студентов с современными способами управления электродвигателями и дает основу для более глубокого исследования динами