Электрические машины
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Отраслевое машиностроение
Издательство:
Инфра-Инженерия
Автор:
Сотников Владимир Васильевич
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 416
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
ISBN: 978-5-9729-1566-8
Артикул: 843638.02.99
Приводятся основные сведения об устройстве, принципе работы и теории трансформаторов и электрических машин. Рассматриваются физические процессы и количественные соотношения между величинами, основные характеристики и эксплуатационные свойства в установившемся режиме. Для студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезно аспирантам, преподавателям и техническому персоналу, обеспечивающему эксплуатацию соответствующего оборудования.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.02: Электроэнергетика и электротехника
- ВО - Магистратура
- 13.04.02: Электроэнергетика и электротехника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
ǩǩǸȕșȔȏȑȕȉ ȄDzǬDZǹǷǯǾǬǸDZǯǬdzǧǿǯǴȂ ǺȞȌȈȔȕȌȖȕȘȕȈȏȌ dzȕȘȑȉȇǩȕȒȕȊȋȇ ªǯȔțȗȇ-ǯȔȍȌȔȌȗȏȦ« 2024 1
УДК 621.313 ББК 31.21 С67 Рецензенты: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Электрические станции» им. В. К. Шибанова Казанского государственного энергетического университета Федотов Александр Иванович; начальник конструкторского бюро вентильных электрических машин КОЭМ ОАО «Электроагрегат», г. Курск Дюмин Александр Анатольевич Сотников, В. В. С67 Электрические машины : учебное пособие / В. В. Сотников. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 416 с : ил., табл. ISBN 978-5-9729-1566-8 Приводятся основные сведения об устройстве, принципе работы и теории трансформаторов и электрических машин. Рассматриваются физические процессы и количественные соотношения между величинами, основные характеристики и эксплуатационные свойства в установившемся режиме. Для студентов направления подготовки «Электроэнергетика и электротехника», а также может быть полезно аспирантам, преподавателям и техническому персоналу, обеспечивающему эксплуатацию соответствующего оборудования. УДК 621.313 ББК 31.21 ISBN 978-5-9729-1566-8 Сотников В. В., 2024 Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 2
ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ..................................................... 9 ПРЕДИСЛОВИЕ ..................................................................... 10 ВВЕДЕНИЕ ............................................................................... 13 В1 Электрические машины и их значение .............................. 13 В2 Исторический очерк ............................................................ 16 1 ТРАНСФОРМАТОРЫ ........................................................ 31 1.1 Классификация трансформаторов ..................................... 32 1.2 Общее устройство силовых трансформаторов ................. 35 1.3 Активная часть .................................................................... 42 1.3.1 Магнитопровод .............................................................. 42 1.3.2 Обмотки .......................................................................... 50 1.3.3 Изоляция силовых трансформаторов ........................... 59 1.4 Трехфазные трансформаторы ............................................ 60 1.4.1 Схемы соединения фаз обмоток ................................... 61 1.4.2 Группы соединения фаз обмоток ................................. 63 1.5 Принцип действия трансформатора .................................. 66 1.6 Составляющие магнитного поля и основные уравнения ............................................................... 70 1.7 Схемы замещения приведенного трансформатора .......... 74 1.8 Опыты холостого хода и короткого замыкания ............... 80 1.9 Применение относительных единиц в расчетах ............... 84 1.10 Изменение вторичного напряжения при нагрузке ......... 86 1.11 Регулирование напряжения трансформаторов ............... 88 1.11.1 Переключение ответвлений без возбуждения........... 89 1.11.2 Переключение ответвлений под нагрузкой ............... 91 1.12 Эксплуатационные характеристики трансформатора ... 94 1.13 Работа трехфазного трансформатора при несимметричной нагрузке ................................................. 99 1.13.1 Причины возникновения несимметричных режимов работы, условия и метод их анализа ..................................... 99 1.13.2 Несимметричная нагрузка при схеме соединения Y/Yн ................................................. 102 1.13.3 Несимметричная нагрузка при схеме соединения Y/Zн .................................................. 105 3
1.13.4 Несимметричная нагрузка при схемах соединения '/Yн и Yн/Yн ...................................................... 106 1.13.5 Несимметричная нагрузка при схемах соединения Y/Y, Y/', '/Y и '/'............................................................... 107 1.14 Параллельная работа трансформаторов ........................ 107 1.14.1 Схема замещения со стороны нагрузки ................... 109 1.14.2 Исследование параллельной работы при различных условиях ..................................................... 110 1.15 Трехобмоточные трансформаторы ................................ 115 1.15.1 Основные уравнения и схема замещения ................ 117 1.15.2 Определение параметров схемы замещения из опытов холостого хода и короткого замыкания ........... 120 1.15.3 Режим нагрузки .......................................................... 122 1.16 Трансформаторы с расщепленной обмоткой ................ 123 1.16.1 Область применения. Особенности устройства ...... 123 1.16.2 Распределение токов по обмоткам и взаимное влияние нагрузок............................................... 126 1.17 Автотрансформаторы ...................................................... 129 1.17.1 Трансформация напряжений и токов ....................... 131 1.17.2 Электромагнитная, электрическая и проходная мощность ......................................................... 134 1.17.3 Сравнительная оценка автотрансформатора и двухобмоточного трансформатора при равной проходной мощности ....................................... 135 2 ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПЕРЕМЕННОГО ТОКА .................................... 138 2.1 Классификация электрических машин ............................ 138 2.2 Номинальные режимы работы ......................................... 140 2.3 Конструктивное исполнение ............................................ 142 2.4 Общее устройство ............................................................. 143 2.5 Принцип создания многополюсного магнитного поля ...................................................................... 146 2.6 Конструктивные виды якорных обмоток ........................ 148 2.7 Конструктивные параметры якорных обмоток .............. 150 2.8 Магнитодвижущая сила распределенной обмотки ........ 156 4
2.9 Синтез обмоток с пространственным распределением магнитодвижущей силы, близким к синусоидальному .................................................. 160 2.9.1 Влияние на магнитодвижущую силу распределения катушечной группы по пазам .............................................. 162 2.9.2 Влияние на магнитодвижущую силу двухслойной обмотки укорочения шага ............................. 166 2.9.3 Обмоточный коэффициент ......................................... 168 2.10 Скос пазов ........................................................................ 169 2.11 Образование вращающегося магнитного поля с помощью трехфазной обмотки ........................................... 173 3 АСИНХРОННЫЕ ДВИГАТЕЛИ .................................... 178 3.1 Общие сведения ................................................................. 178 3.2 Устройство асинхронного двигателя .............................. 179 3.3 Принцип действия ............................................................. 183 3.4 Математическое описание асинхронной машины ......... 186 3.4.1 Принятые допущения .................................................. 186 3.4.2 Разложение реального магнитного поля на составляющие ................................................................... 187 3.4.3 Электродвижущие силы, индуктируемые в обмотках статора и ротора ................................................ 188 3.4.4 Уравнения электрического равновесия ..................... 190 3.4.5 Уравнение равновесия магнитодвижущих сил ......... 192 3.4.6 Основные уравнения в приведенных величинах ...... 194 3.5 Схемы замещения асинхронного двигателя ................... 195 3.5.1 Т-образная схема замещения и физический смысл входящих в нее параметров ................................................. 195 3.5.2 Упрощенная Г-образная схема замещения................ 197 3.6 Структура мощностей асинхронного двигателя ............ 198 3.7 Электромагнитные мощность и момент асинхронного двигателя. Механическая характеристика ............................ 200 3.8 Режимы работы асинхронной машины ........................... 202 3.9 Рабочие характеристики асинхронного двигателя ......... 207 3.10 Способы пуска асинхронных двигателей ..................... 210 3.10.1. Прямой пуск .............................................................. 211 3.10.2 Пуск при пониженном напряжении ......................... 213 5
3.10.3 Увеличение эквивалентного сопротивления электрической цепи асинхронного двигателя .................... 214 3.11 Способы регулирования частоты вращения асинхронных двигателей ........................................................ 217 3.11.1 Частотное регулирование .......................................... 218 3.11.2 Переключение числа полюсов обмотки статора ..... 221 3.11.3 Асинхронный вентильный каскад ............................ 222 3.11.4 Изменение крутизны рабочего участка механической характеристики ............................................. 224 3.11.5 Изменение направления вращения .......................... 225 3.12 Способы торможения асинхронных двигателей .......... 226 3.13 Однофазные асинхронные двигатели ............................ 232 3.13.1 Общие сведения ......................................................... 232 3.13.2 Асинхронные двигатели с пусковой обмоткой ....... 235 3.13.3 Конденсаторные асинхронные двигатели ............... 237 4 СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ ........................................... 239 4.1 Общие сведения ................................................................. 239 4.2 Устройство активной части .............................................. 245 4.3 Системы электромагнитного возбуждения..................... 247 4.4 Принцип действия синхронного генератора .................. 252 4.5 Математическое описание синхронной машины ........... 254 4.5.1 Принятые допущения .................................................. 254 4.5.2 Составляющие магнитного поля ................................ 255 4.5.3 Магнитное поле возбуждения .................................... 256 4.5.4 Магнитное поле реакции якоря .................................. 259 4.5.5 Уравнения электрического равновесия ..................... 260 4.6 Эксплуатационные характеристики синхронного генератора при автономной работе ....................................... 266 4.6.1 Характеристика холостого хода ................................. 266 4.6.2 Внешняя характеристика ............................................ 268 4.6.3 Регулировочная характеристика ................................. 270 4.6.4 Характеристика трехфазного короткого замыкания ............................................................ 271 4.6.5 Структура мощностей синхронной машины ............. 274 4.7 Параллельная работа генератора с сетью ....................... 276 6
4.7.1 Оптимальные условия включения генератора на параллельную работу с сетью ......................................... 277 4.7.2 Методы синхронизации генераторов ......................... 279 4.7.3 Работа подключенной к сети синхронной машины в режиме генератора и двигателя ......................... 283 4.8 Зависимость электромагнитной мощности и момента синхронной машины от угла нагрузки .................. 287 4.9 Статическая устойчивость синхронной машины ........... 290 4.10 Регулирование реактивной мощности синхронной машины при параллельной работе с сетью ........................... 293 4.11 Синхронные двигатели ................................................... 297 4.11.1 Область применения. Устройство ............................ 297 4.11.2 Уравнения, векторные диаграммы ........................... 298 4.11.3 Механическая характеристика ................................. 300 4.11.4 Способы пуска............................................................ 301 4.11.5 Регулирование частоты вращения ............................ 305 4.11.6 Торможение ................................................................ 306 4.12 Синхронные компенсаторы ............................................ 307 4.13 Внезапное короткое замыкание синхронного генератора ......................................................... 309 4.13.1 Физические процессы ................................................ 311 4.13.2 Схема замещения ....................................................... 315 4.13.3 Расчет ударного тока короткого замыкания ........... 317 5 МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА ............................ 319 5.1 Общие сведения ................................................................. 319 5.2 Устройство машины постоянного тока ........................... 321 5.2.1 Явнополюсная конструкция ....................................... 321 5.2.2 Неявнополюсная конструкция .................................... 336 5.3 Способы возбуждения ...................................................... 338 5.4 Якорные обмотки .............................................................. 340 5.4.1 Основные сведения ...................................................... 340 5.4.2 Простая петлевая обмотка .......................................... 344 5.4.3 Простая волновая обмотка .......................................... 348 5.4.4 Условия симметрии ..................................................... 350 5.5 Физические процессы в машине постоянного тока ....... 351 5.5.1 Принцип действия генератора постоянного тока ..... 351 7
5.5.2 Принцип действия двигателя постоянного тока ....... 353 5.5.3 О характере индуктируемой электродвижущей силы и тока в обмотке якоря ......................................................... 355 5.6 Магнитное поле в воздушном зазоре .............................. 357 5.6.1 Режим холостого хода ................................................. 357 5.6.2 Режим нагрузки ............................................................ 358 5.7 Математическое описание физических процессов в машине постоянного тока .................................................... 360 5.7.1 Электродвижущая сила ............................................... 360 5.7.2 Электромагнитный момент ......................................... 363 5.7.3 Уравнение электрического равновесия цепи якоря .............................................................................. 363 5.8 Генераторы постоянного тока .......................................... 365 5.8.1 Эксплуатационные характеристики ........................... 365 5.8.2 Принцип самовозбуждения ......................................... 370 5.9 Двигатели постоянного тока ............................................ 373 5.9.1 Уравнения и характеристики двигателя независимого (параллельного) возбуждения ..................... 374 5.9.2 Уравнение механической характеристики двигателя последовательного возбуждения ......................................... 376 5.9.3 Механическая характеристика двигателя смешанного возбуждения .................................................... 378 5.9.4 Регулирование частоты вращения .............................. 379 5.9.5 Пуск. Изменение направления вращения .................. 387 5.9.6 Способы торможения .................................................. 389 5.10 Потери мощности и КПД ................................................ 394 5.11 Коммутация...................................................................... 395 5.11.1 Свойства щеточного контакта .................................. 397 5.11.2 Причины искрения на коллекторе ............................ 400 5.11.3 Классическая теория коммутации ............................ 401 5.11.4 Устранение электромагнитных и потенциальных причин искрения ................................................................. 406 5.11.5. Марки щеток ............................................................. 410 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .............................. 413 8
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ АВК – асинхронный вентильный каскад АД – асинхронный двигатель АМ – асинхронная машина АТ – автотрансформатор ВД – векторная диаграмма ВН – высшее напряжение (в трансформаторах) ВКЗ – внезапное короткое замыкание ГОСТ – государственный стандарт ГПТ – генератор постоянного тока ГЭС – гидроэлектростанция ДПТ – двигатель постоянного тока КЗ – короткое замыкание КПД – коэффициент полезного действия ЛЭП – линия электропередач МДС – магнитодвижущая сила МПТ – машина постоянного тока МЭК – Международная электротехническая комиссия НН – низшее напряжение (в трансформаторах) ПБВ – переключение без возбуждения (в трансформаторах) ПЧ – преобразователь частоты РО – расщепленная обмотка (в трансформаторах) РПН – регулирование под нагрузкой (в трансформаторах) СГ – синхронный генератор СД – синхронный двигатель СК – синхронный компенсатор СМ – синхронная машина СН – среднее напряжение (в трансформаторах) СУ – симметрирующее устройство (в трансформаторах), система управления (в полупроводниковых преобразователях) ТОЭ – теоретические основы электротехники УПП – устройство плавного пуска УПР – устройство пусковое реакторное ХХ – холостой ход ЭДС – электродвижущая сила ЭМТ – электромагнитный тормоз ЭМУ – электромашинный усилитель 9
ПРЕДИСЛОВИЕ В настоящем пособии представлен общий курс электрических машин, ориентированный на студентов электротехнических направлений. Оно написано на основе курса лекций, который автор читал в течение многих лет. С благодарностью вспоминаю профессоров кафедры электрических машин Харьковского ордена Ленина политехнического института им. В. И. Ленина: Рогачева Ивана Сергеевича, Толкунова Владимира Петровича, Яковенко Василия Александровича и других преподавателей, опыт которых незримо отразился в пособии. Изложенный материал является основой теоретической части дисциплины и может быть использован при подготовке к экзаменам, лабораторным и практическим занятиям. Пособие охватывает основной круг изучаемых тем и состоит из введения, включающего исторический очерк, и 5 разделов: «Трансформаторы», «Общие вопросы теории электрических машин переменного тока», «Асинхронные двигатели», «Синхронные машины» и «Машины постоянного тока». Такая последовательность изложения применяется в большинстве вузов. И. Ньютон писал, что «природа проста и не роскошествует излишними причинами». С этой позиции во всех электромагнитных устройствах она «работает» одинаково. Однако из-за неясности физической сути электромагнитных явлений теория трансформаторов и различных типов электрических машин излагается с учетом особенностей конструкции и преобразования энергии. Изложение ведется в соответствии с проверенными и оправдавшими себя принципами обучения: от простого – к сложному, от частного – к общему. Как-то услышал высказывание, что если Вы что-то не можете объяснить «на пальцах», то значит, сами еще не до конца это поняли. Принимая его в качестве общего руководства, автор стремился излагать теоретический материал по возможности проще, но с научных позиций, местами нетра10