Кінаш А.Т. Електротехніка. Електричні машини

Подождите немного. Документ загружается.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

Український державний морський технічний університет

імені адмірала Макарова

À.Ò. Ê²ÍÀØ

ЕЛЕКТРОТЕХНІКА

Електричні машини

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

як навчальний посібник

Миколаїв

УДМТУ

2003

УДК 621.3

ББК 31.26

К 41

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України як навчальний

посібник, лист № 14/182–2404 від 16.12.2002 р.

Рецензенти:

Ю.П. Кондратенко, доктор технічних наук, професор;

В.А. Скороходов, кандидат технічних наук, професор

Кінаш А.Т.

К 41 Електротехніка. Електричні машини: Навчальний посіб-

ник. – Миколаїв: УДМТУ, 2003. – 152 с.

ISBN 5–87848–080–8

Посібник містить основні відомості з теорії електричних машин.

Розглянуто питання щодо їх практичного використання. Наведені

числові приклади та тестові завдання для самостійного розв'язання.

Призначено для індивідуальної роботи студентів неелектротех-

нічних спеціальностей денного і заочного відділень та дистанцій-

ного навчання студентів вищих навчальних закладів.

УДК 621.3

ББК 31.26

ISBN 5–87848–080–8

ÂÑÒÓÏ

Електротехніка є наукою про технічне використання електрики

і магнетизму в господарстві. Без досить глибокого знання електро-

техніки неможливо уявити собі інженерів сучасного високорозвине-

ного виробництва.

Інтенсивне використання електричної енергії пов'язано з наступ-

ними її особливостями: можливістю досить легкого перетворення в

інші види енергії (механічну, теплову, променисту і т. д.); можливі-

стю централізованого й економічного отримання на різних елект-

ростанціях; простотою передачі за допомогою ліній електропереда-

чі з малими втратами на великі відстані до споживачів.

Електротехнічне устаткування сучасних суден являє собою комп-

лекс різноманітних електричних машин, апаратів і приладів. Осна-

щеність морських суден електричними машинами, апаратами та

приладами продовжує збільшуватися, енергооснащеність суден зро-

стає з кожним роком. Майже всі механізми таких суден обладнані

електричним приводом, більшість з них з автоматизованим керуван-

ням. Роль обслуговуючого персоналу на таких суднах зводиться до

спостереження за електроустаткуванням і усунення несправностей.

Електрична енергія володіє цілим рядом переваг у порівнянні з

іншими видами енергії. Вона у великих кількостях може передавати-

ся на значні відстані, легко перетворюється в інші види енергії, добре

розподіляється між приймачами енергії, забезпечуючи будь-яку по-

тужність приймача (від часток вата до десятків тисяч кіловат), дозво-

ляє здійснити комплексну автоматизацію підприємств і суден.

Електричні і магнітні явища відомі людству давно (кілька сто-

літь), але практичне застосування електричної енергії почалося лише

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

в другій половині ХІХ століття. При цьому першими приймачами

електроенергії були джерела електричного світла та установки зв'яз-

ку (телеграф і телефон).

Великий внесок у розвиток науки про електричні явища зроби-

ли вчені – академіки М.В. Ломоносов, Г.В. Рихман і В.В. Петров,

що провели ряд важливих досліджень з електрики.

Після відкриття англійцем М. Фарадеєм явища електромагніт-

ної індукції (1831 р.) російські академіки Е.X. Ленц і Б.С. Якобі роз-

робили принцип перетворення електричної енергії в механічну. У

1834 р. Якобі винайшов перший у світі електричний двигун постій-

ного струму, а в 1838 р. установив його на катері для приводу греб-

ного гвинта. Це був перший у світі електрохід. Велику допомогу

Е.X. Ленцу і Б.С. Якобі надав професор А.С. Столєтов, який обґру-

нтував розрахунки магнітних кіл електричних машин. Ленц відкрив

принцип оборотності електричних машин, що сприяло інтенсивно-

му виробництву електричних генераторів і двигунів. Перші елек-

тромашини виготовлялися на постійному струмі і були дуже громізд-

кими й дорогими, що гальмувало їхнє поширення.

У 1873–1874 рр. інженером А.Н. Лодигіним була винайдена лам-

па накалювання – прообраз сучасних ламп цього типу, а в 1876 р.

інженером П.Н. Яблочковим сконструйована дугова лампа. Це були

перші у світі джерела електричного світла.

На морських суднах електрична енергія вперше стала застосо-

вуватися для освітлення палуб і приміщень за допомогою прожек-

торів з дуговими лампами (1880 р.). Електроенергія для цих устано-

вок вироблялася в невеликих низьковольтних генераторах постій-

ного струму, які були встановлені на суднах і приводилися в рух

паровими машинами.

У 1891 р. на Всесвітній електротехнічній виставці інженер

М.О. Доливо-Добровольський продемонстрував відкриту ним си-

стему трифазного струму та елементи цієї системи: синхронні гене-

ратори, асинхронні електродвигуни і трансформатори. У даний час

трифазна система електричного струму займає домінуюче положен-

ня в одержанні, передачі і розподілі електроенергії, як найбільш еко-

номічна, а асинхронні електродвигуни, дуже прості за конструкцією

і дешеві, широко застосовуються у всіх галузях народного господар-

ства, у тому числі на суднах. Електродвигуни постійного і змінного

Âñòóï

струму поступово замінили на суднах парові машини для приводу

допоміжних механізмів.

Перші спроби створення електрогребної установки на підвод-

ному човні відносяться до 1861 р. Електроходи будуються з 1904 р.

(наливне річкове судно "Вандал"). У 80-х роках ХІХ сторіччя почи-

нає здійснюватися електричний привід суднових механізмів. Пер-

шими були електрифіковані вентилятори, потім кермові пристрої і

палубні механізми.

Для живлення електроенергією на суднах установлюють елек-

тростанції, потужність яких уже в 90-х роках досягала сотень кіло-

ват. До 1940 р. електростанції на морських суднах будували голов-

ним чином на постійному струмі. Останнім часом у зв'язку із зро-

станням потужностей суднових електроенергетичних установок та

створенням надійного електроустаткування на змінному струмі суд-

нові електростанції в основному будують на змінному струмі.

Наприкінці ХІХ століття в зв'язку з відкриттям трансформато-

ра П.М. Яблочковим та І.Ф. Усагіним одержала велике поширення

передача електроенергії на відстань. Теоретичні основи передачі елек-

троенергії розроблені проф. Д.А. Лачіновим.

Після одержання електромагнітних коливань фізиком Г.Р. Гер-

цом учений А.С. Попов у 1895 р. став творцем бездротового теле-

графу, а в 1896 р. передав в ефір першу у світі радіограму. Через два

роки він установив регулярний радіозв'язок між крейсером "Афри-

ка" і транспортним судном "Європа".

У даний час створюються різноманітні пристрої з електронни-

ми, напівпровідниковими й електромагнітними елементами, авто-

матичні промислові роботи і маніпулятори. З їхньою допомогою

удосконалюються технологічні процеси, системи керування, конт-

ролю й інформації.

Без використання електротехніки неможливі були б успіхи в ме-

дицині, біології, екології й в інших галузях науки.

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

1. ÌÀÃÍ²ÒÍ² ÊÎËÀ

1.1. Магнітні кола з постійною магніторушійною силою

Робота багатьох електротехнічних пристроїв основана на вико-

ристанні індукційної та силової дій магнітного поля.

Індукційна дія магнітного поля полягає в тому, що в котушці,

яка пронизується змінним магнітним потоком, та в провіднику, що

рухається відносно магнітного поля, індукується ЕРС. На викорис-

танні індукованих ЕРС засновано принцип дії генераторів, транс-

форматорів, багатьох приладів контролю та управління. Силова дія

магнітного поля полягає в тому, що на електричні заряди, провідни-

ки зі струмом і деталі із феромагнітних матеріалів, які знаходяться в

магнітному полі, діють електромагнітні сили.

Використання силової дії магнітного поля лежить в основі прин-

ципу дії електродвигунів, електромагнітів, багатьох електровимірю-

вальних приладів.

Електротехнічні пристрої, принцип дії яких засновано на вико-

ристанні індукційної або силової дії магнітного поля, називаються

електромагнітними.

Магнітне коло – це сукупність пристроїв з феромагнітними еле-

ментами, електромагнітні процеси в яких можуть бути пояснені за

допомогою понять магніторушійної сили, магнітного потоку та ма-

гнітної напруги.

Магнітне коло складається з елементів, які збуджують (створю-

ють) магнітне поле і магнітопровід. До елементів, які збуджують

магнітне поле, належать провідники зі струмом і постійні магніти, а

до магнітопроводів – різні тіла та середовища, по яких замикаються

магнітні лінії збудженого поля.

Магнітне поле, збуджене постійним струмом, графічно показу-

ється магнітними силовими лініями і в кожній

точці характеризується вектором магнітної індук-

ції B, направленим по дотичній до лінії поля

(рис. 1.1).

Напрямок поля B визначається правилом

гвинта, поступальний рух якого збігається з на-

прямком струму I, а обертальний – з напрямком

магнітної індукції.

Рис. 1.1

Ìàãí³òí³ êîëà

Вектор магнітної індукції B характеризує інтенсивність і на-

прямок руху магнітного поля.

Разом з вектором магнітної індукції використовують і магніт-

ний потік Ф. Магнітний потік – це інтегральна оцінка магнітного

поля, тому він може мати як позитивні, так і негативні значення.

При однорідному магнітному полі, коли для всіх точок просто-

ру вектор магнітної індукції В зберігає незмінні значення і його

напрямок перпендикулярний до площини S,

.Ф BS=

Одиницею вимірювання магнітної індукції є тесла (Tл) або ве-

бер на квадратний метр (Вб/м

), а одиницею вимірювання магніт-

ного потоку – вебер (Вб).

При розрахунку магнітних кіл уводиться допоміжна величина –

вектор напруженості магнітного поля Н, що збігається за напрям-

ком з вектором В:

,HB

де µ – абсолютна магнітна проникність середовища, в якому збу-

джене магнітне поле. Одиницею вимірювання µ є Гн/м.

Абсолютна магнітна проникність вакууму має постійне значен-

ня:

Гн/м104

−

⋅π=µ .

Одиниця вимірювання напруженості Н – ампер на метр (А/м).

Феромагнітні речовини (залізо, нікель) мають абсолютну магніт-

ну проникність, що в багато разів перевищує µ

. Парамагнітними є

платина та алюміній, діамагнітними – вісмут і мідь.

Магнітні властивості речовин характеризуються відносною ма-

гнітною проникністю

=µ

Властивості феромагнітних речовин показують

графіками залежності магнітної індукції B від на-

пруженості магнітного поля H (рис. 1.2).

Ці графіки одержують експериментально.

Рис. 1.2

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

1.1.1. Аналіз магнітних кіл з постійною магніторушійною силою

При аналізі магнітних кіл існує дві задачі.

Пряма магнітна задача – знайти магніторушійну силу (МРС)

обмотки, необхідну для створення в даному магнітному колі певно-

го магнітного потоку Ф, якщо задані розміри, конфігурація та ма-

теріал магнітопроводу і розміри та конфігурація повітряного про-

міжку.

Зворотна магнітна задача – знайти магнітний потік Ф у даному

магнітному колі, якщо задані значення МРС

обмотки, розміри ,

конфігурація і матеріал магнітопроводу та розміри і конфігурація

повітряного проміжку.

Магнітні кола можуть бути розгалужени-

ми та нерозгалуженими, з однією або кілько-

ма МРС.

Зображене на рис. 1.3 магнітне коло має

дві однорідні феромагнітні ділянки довжиною

і l

, а також два повітряні проміжки довжи-

ною

l кожний.

Обмотка збудження виконана у вигляді

двох котушок із загальною кількістю витків

w. Увімкнення цієї котушки до джерела електричної енергії збуджує

в її провідниках струм I, внаслідок чого створюється МРС

wIF =

Ця МРС збуджує основний магнітний потік Ф і невеликий потік

розсіювання Ф

роз

, який замикається в повітряному середовищі.

Пряма задача

Для розрахунку МРС F, що збуджує основний магнітний потік,

визначають з рис. 1.3 довжини l

, l

середньої магнітної лінії на

однорідних ділянках магнітопроводу. Нехтуючи потоком розсіюван-

ня Ф

роз

, знаходять величини магнітної індукції на кожній ділянці

магнітопроводу:

B =

де

– площа поперечного перерізу ділянки магнітопроводу.

Використовуючи знайдені величини

, визначають відповід-

ні їм значення напруженості магнітного поля

на ділянках маг-

Рис. 1.3

Ìàãí³òí³ êîëà

нітопроводу за допомогою основної кривої

намагнічування (рис. 1.4).

Для повітряного проміжку, де абсолютна

магнітна проникність

µ=µ

, напруженість

магнітного поля визначається за формулою

108,0

10256,1

⋅=

⋅

−

А/м.

Основні криві намагнічування отримують експериментально.

Застосовують закон повного струму вздовж середньої лінії маг-

нітопроводу

∑∑

= wIlH

Ураховуючи, що в межах кожної однорідної ділянки величина

напруженості магнітного поля постійна, маємо

пп2211

wIlHlHlH =++

Щоб урахувати потік розсіювання, треба значення МРС

wIF =

збільшити на 10...20 %.

Величина

– магнітна напруга однорідної ділянки.

Розгалужене магнітне коло

У розгалуженому магнітному колі (рис. 1.5) величини магніт-

них потоків знаходять з принципу неперервності магнітного пото-

ку, згідно з яким алгебраїчна сума магнітних потоків окремих діля-

нок кола, що сходяться в одному вузлі, дорівнює нулю:

,0Ф

∑

а також із закону повного струму. Алгебраїч-

на сума добутків напруженостей магнітного

поля на відповідні їм довжини однорідних

ділянок контуру магнітного кола дорівнює

алгебраїчній сумі МРС цього ж контуру:

∑∑

iiii

IwlH

Рис. 1.4

Рис. 1.5

Åëåêòðîòåõí³êà. Åëåêòðè÷í³ ìàøèíè

Стосовно вузла S рівняння неперервності магнітного потоку

має вигляд

.0ФФФ

321

=−−

Рівняння за законом повного струму для контурів І та ІІ:

.0 ;

22332211

=−=+ lHlHwIlHlH

Аналогова схема заміщення магнітного кола з постійною МРС

Розглянемо магнітне коло (рис. 1.6). Позначимо середні значен-

ня магнітної індукції

п21

,, BBB

і напружено-

сті магнітного поля Н

, Н

та Н

на ділянках

1, 2 і 3.

Магнітними полями розсіювання нехтує-

мо, значення магнітного потоку в будь-якому

перерізі магнітного кола беремо однаковим:

.Ф

пп2211

=== SBSBSB

Рівняння за законом повного струму має вигляд

пп2211

wIlHlHlH =++

Поділимо кожну складову цього рівняння на магнітний потік:

пп

=++

(1.1)

Уведемо позначення:

магнітний опір першої ділянки

;

1м

(1.2)

магнітний опір другої ділянки

2м

; (1.3)

Рис. 1.6