Вольдек А.И. Электрические машины

Подождите немного. Документ загружается.

А. И. Вольдек

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

Допущено Министер-

ством высшего и сред-

него специального об-

разования СССР в ка-

честве учебника для

студентов электро-

технических специ-

альностей высших

технических учебных

заведений

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,

переработанное

и дополненное

ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЭНЕРГИЯ» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1974

6П2.12

В 71

УДК 621.313(075 8)

.. 30307-16S

В 136-74

051(01)-74

Рецензент — кафедра электрических машин МЭИ

(зав. кафедрой чл.-корр. АН СССР Г. Н. Петров).

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ

Первое издание данной книги вышло в свет в 1966 г. При под-

готовке второго издания текст книги подвергся некоторой пере-

работке. Во-первых, в книге устранены обнаруженные ошибки и

неточности. Во-вторых, некоторые параграфы книги переработаны

с целью уменьшения их объема или достижения большей ясности

истрогости изложения (например, §32-1, 32-2, 33-3 и др.). В-третьих,

в книгу добавлен новый материал, имеющий существенное значе-

ние для современной теории и практики электромашиностроения:

§ В-5 — о правилах написания уравнений напряжения электри-

ческих машин переменного тока и составления их векторных диа-

грамм, §11-5 — о машинах постоянного тока с полупроводниковыми

коммутаторами, § 5-2 — о влиянии неравномерности зазора между

статором и ротором на магнитное поле машины, гл. 40 — о системах

возбуждения синхронных машин и др. Добавлены также численные

примеры. Вместе с тем заданный объем книги и ее назначение

как учебника для студентов втузов ограничивают объем нового

материала. Читатели, желающие изучить различные вопросы тео-

рии, проектирования и технологии изготовления электрических

машин более глубоко, могут воспользоваться списком литературы,

который приведен в конце книги.

Автор благодарен сотрудникам кафедры электрических машин

Львовского политехнического института профессору

|В.

Т. Губенко |

и доцентам Р. В. Фильцу, Е. В. Волошанскому и И. И. Андрейко,

а также инженеру В. В. Силич (г. Тамбов) за ценные замечания по

первому изданию книги.

Все замечания и пожелания по книге просьба направлять по

адресу: 192041, Ленинград, Марсово поле, д. 1, Ленинградское

отделение издательства «Энергия».

Автор

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

Данная книга предназначается в качестве учебника для студен-

тов втузов и может быть полезна также инженерам-электрикам,

работающим в области производства и эксплуатации электрических

машин.

Содержание курса электрических машин в книге излагается

в такой последовательности: машины постоянного тока, трансфор-

маторы, асинхронные машины, синхронные машины и коллектор-

ные машины переменного тока. В первом разделе книги, посвя-

щенном машинам постоянного тока, освещаются также вопросы,

которые являются в значительной степени общими для всех видов

электрических машин: расчет магнитной цепи, зависимость тех-

нико-экономических показателей машин от их мощности, электро-

магнитных нагрузок и скорости вращения, нагревание и охлаж-

дение электрических машин и др.

В каждом разделе курса наиболее подробно рассматриваются

устройство и основные вопросы теории так называемых нормальных

типов электрических машин, применяемых повсеместно в народном

хозяйстве в качестве источников электрической энергии и приводов

для различных машин и механизмов. Кроме того, в конце каждого

раздела излагаются также принципы действия и устройство наиболее

распространенных и перспективных специальных типов электри-

ческих машин, в том числе электрических микромашин, используе-

мых в системах автоматического регулирования и управления.

Коллекторные машины переменного тока в связи с малым их рас-

пространением в СССР и ограниченным объемом книги рассматри-

ваются кратко.

Параграфы, которые при первом чтении книги могут быть опу-

щены или не обязательны для студентов некоторых специальностей,

набраны мелким шрифтом.

Автор стремился исключить из курса устаревший материал и по

возможности изложить современные вопросы теории и практического

применения электрических машин. Больше внимания по сравнению

с некоторыми другими книгами уделяется расчету параметров элек-

трических машин, теории схем замещения и т. д. Элементы методи-

ческой новизны внесены в изложение таких вопросов, как обмотки

электрических машин, их намагничивающие силы, внезапное

короткое замыкание синхронных машин и др.

Опыт учебной работы во втузах показывает, что наиболее труд-

ными для понимания и усвоения являются многообразные взаимо-

связанные физические явления и процессы, происходящие в элек-

трических машинах. Поэтому автор стремился отвести им в книге

больше места и изложить их в простой и ясной форме. Это, по мне-

нию автора, должно облегчить пользование учебником, в особенности

студентам вечерних и заочных втузов и факультетов.

Автор выражает сердечную благодарность рецензентам члену-

корреспонденту АН СССР проф. Г. Н. Петрову и члену-корреспон-

денту АН УССР проф. И. М. Постникову за сделанные ими ценные

замечания, а также инженерам А. И. Коза за помощь в оформ-

лении рукописи и Е. В. Толвинской за большую работу по редак-

тированию книги.

Автор

ВВЕДЕНИЕ

В-1. Электрические машины и их значение в народном хозяйстве

Значение электрической энергии в народном хозяйстве и в быту

непрерывно возрастает. Важная роль в построении коммунистиче-

ского общества принадлежит электрификации, что выражено в ге-

ниальной формулировке В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть

советская власть плюс электрификация всей страны».

Электрификация промышленности, транспорта, сельского хо-

зяйства и быта населения обусловливает необходимость применения

разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основ-

ных видов этого оборудования являются электрические машины,

которые служат для преобразования механической энергии в элек-

трическую и обратно — электрической энергии в механическую,

а также для преобразования одного рода электрической энергии

в другой.

Преобразование механической энергии в электрическую осуще-

ствляется с помощью электрических машин, называемых элек-

трическими генераторами. Генераторы приводятся во

вращение с помощью паровых, гидравлических и газовых турбин,

двигателей внутреннего сгорания и других первичных двига-

телей.

Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на

электрических станциях, снова превращается в механическую для

приведения в действие различных машин и механизмов. Для этой

цели применяются электрические машины, называемые элек-

трическими двигателями.

На современных электростанциях обычно вырабатывается пере-

менный ток, и для передачи его к потребителям через линии элек-

тропередачи и электрические сети необходимо изменять напряже-

ние тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока

осуществляется с помощью преобразователей, которые называются

трансформаторами. Трансформаторы представляют собой

статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращаю-

щихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть

много общего с вращающимися электрическими машинами, и по-

этому их также относят к электрическим машинам в широком

смысле этого слова. Существуют также другие разновидности элек-

трических машин.

В зависимости от рода тока электрические машины подразде-

ляются на машины постоянного и переменного тока. Электрические

машины изготовляются на очень широкие пределы мощностей —

от долей ватта до миллиона киловатт и выше.

Выработка электрической энергии в нашей стране возросла

с 507 млрд. квт'Ч в 1965 г. до 740,4 млрд. квт-ч в 1970 г., т. е.

в 1,46 раза. Приблизительно во столько же раз увеличилось также

производство электрических машин.

В 1970 г. в СССР было изготовлено электрических генераторов

на суммарную мощность 10,6 млн. кет, трансформаторов — на

мощность 105,9 млн.

ice

-а, электродвигателей переменного тока

с единичной мощностью более 0,25 кет — на суммарную мощность

33,3 млн. кет. Кроме того, выпущено весьма большое количество

электродвигателей меньшей мощности, машин постоянного тока

и разнообразных специальных видов маломощных электрических

машин для применения в автоматизированных транспортных,

оборонных и других установках.

В-2. Общие сведения об электрических машинах

Преобразование энергии в современных электрических машинах

осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины назы-

ваются индуктивными. Возможно также создание электри-

ческих машин, в которых энергия преобразуется посредством элек-

трического поля (емкостные машины), однако такие ма-

шины существенного практического распространения не имеют.

Это объясняется следующим.

В обоих классах машин взаимодействие между отдельными ча-

стями машины и преобразование энергии происходят через поле,

существующее в среде, которая заполняет пространство между

взаимодействующими частями машины. Этой средой обычно яв-

ляется воздух или другое вещество с подобными же магнитными и

электрическими свойствами. Однако при практически достижимых

интенсивностях магнитного и электрического полей количество

энергии в единице объема такой среды будет при магнитном поле

в тысячи раз больше, чем при электрическом. Поэтому при одина-

ковых внешних размерах или габаритах машин обоих классов

индуктивные машины будут развивать значительно большую

мощность.

Для получения по возможности более сильных магнитных полей

применяются ферромагнитные сердечники, которые являются не-

отъемлемыми частями каждой электрической машины. При перемен-

ных магнитных полях сердечники с целью ослабления вихревых

токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии изготов-

ляются из листовой электротехнической стали. Другими неотъем-

лемыми частями электрической машины являются обмотки из про-

водниковых материалов, по которым протекают электрические токи.

Для электрической изоляции обомоток применяются различные

электроизоляционные материалы.

Как будет установлено в последующих разделах книги, электри-

ческие машины обладают свойством обратимости: каждый электри-

ческий генератор может работать в качестве двигателя и наоборот,

а в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе

электрической энергии направление преобразования энергии может

быть изменено на обратное. Однако каждая выпускаемая электро-

машиностроительным заводом вращающаяся машина обычно пред-

назначается для одного, определенного режима работы, например

в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансфор-

маторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве

приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая

(вторичная обмотка) — для отдачи энергии. При этом оказывается

возможным наилучшим образом приспособить машину для задан-

ных условий работы и добиться наилучшего использования мате-

риалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу веса

машины.

Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно

связано с ее потерями, вызванными перемагничиванием ферромаг-

нитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением

в подшипниках и о воздух и т. д. Поэтому потребляемая электриче-

ской машиной мощность всегда больше отдаваемой, или полезной,

мощности, а коэффициент полезного действия (к. п. д.) меньше 100%.

Тем не менее электрические машины по сравнению с тепловыми

и некоторыми другими типами машин являются весьма совершен-

ными преобразователями энергии с относительно высокими коэф-

фициентами полезного действия. Так, в самых мощных электриче-

ских машинах к. п. д. равен 98—99,5%, а в машинах мощностью

10 вт. к. п. д. составляет 20—40%. Такие величины к. п. д. при

столь малых мощностях во многих других типах машин недости-

жимы.

Высокие энергетические показатели электрических машин,

удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на

самые разнообразные мощности, скорости вращения, а также

удобство обслуживания и простота управления обусловили повсе-

местное их широкое распространение.

Теряемая в электрических машинах энергия превращается

в тепло и вызывает нагревание отдельных их частей. Для надеж-

ности работы и достижения приемлемого срока службы нагревание

частей машины должно быть ограничено. Наиболее чувствитель-

ными в отношении ^нагревания являются электроизоляционные

материалы, и именно их качеством определяются допустимые уровни

нагревания электрических машин. Большое значение имеет также

создание хороших условий отвода тепла и охлаждения электри-

ческих машин.

Потери энергии в электрической машине увеличиваются с повы-

шением ее нагрузки, а вместе с этим увеличивается и нагрева-

ние машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допускаемая

для данной машины, определяется главным образом допусти-

мым уровнем ее нагревания, а также механической прочностью

отдельных частей машины, условиями токосъема на скользящих

контактах и т. д. Напряженность режима работы электрических

машин переменного тока в отношении электромагнитных нагрузок

(величины магнитной индукции, плотности тока и т. д.), потерь

энергии и нагревания определяется не активной, а полной мощ-

ностью, так как величина магнитного потока в машине определяется

полным напряжением, а не его активной составляющей. Полезная

мощность, на которую рассчитана электрическая машина, назы-

вается номинальной. Все другие величины, которые харак-

теризуют работу машины при этой мощности, также называются

номинальными. К ним относятся: номинальные напряжение, ток,

скорость вращения, к. п. д. и другие величины, а для машины пере-

менного тока также номинальная частота и номинальный коэффи-

циент мощности (cOs ф).

Основные номинальные величины указываются в паспортной

табличке (на щитке), прикрепленной к машине. Принято, что для

двигателя номинальная мощность является полезной мощностью

на его валу, а для генератора — электрической мощностью, отда-

ваемой с его выходных зажимов. При этом для генераторов перемен-

ного тока дается либо полная, либо активная номинальная мощ-

ность (по последним стандартам СССР — полная мощность). Для

трансформаторов и некоторых других машин переменного тока

в табличке всегда указывается полная номинальная мощность.

Номинальные величины, методы испытаний электрических ма-

шин, а также другие их технико-экономические данные и требова-

ния регламентируются в СССР государственными стандартами

(ГОСТ) на электрические машины.

Номинальные напряжения электрических машин согласованы

в ГОСТ со стандартными номинальными напряжениями электри-

ческих сетей. Номинальные напряжения для электрических двига-

телей и первичных обмоток трансформаторов при этом берутся рав-

ными стандартным напряжениям электрических сетей, а для гене-

раторов и вторичных обмоток трансформаторов — на 5—10% больше

с целью компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее упо-

требительные номинальные напряжения электрических машин сле-

дующие: для двигателей постоянного тока 110, 220 и 440 в, для

генераторов постоянного тока 115, 230 и 460 в, для двигателей пере-

менного тока и первичных обмоток трансформаторов 220, 380,

660 в и 3, 6, 10 кв, для генераторов и вторичных обмоток трансфор-

маторов 230, 400, 690 в и 3,15; 6,3; 10,5; 21 кв (для вторичных обмо-

ток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кв). Из более высоких

напряжений для первичных обмоток трансформаторов стандартными

являются 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кв и для вторичных обмо-

ток 38,5; 121, 165, 242, 347, 525 и 787 кв. Для трехфазных установок

в паспортных табличках приводятся линейные значения напряже-

ний.

В СССР, а также в большинстве других стран мира промышлен-

ная частота тока равна 50 гц, и большинство машин переменного

тока поэтому также строится на 50 гц. В США и других странах

Америки промышленная частота тока равна 60 гц. Для разных спе-

циальных назначений (электротермические установки, устройства

автоматики и т. д.) применяются также электрические машины

с другими значениями частоты тока.

По мощности электрические машины можно подразделять на

следующие группы: до 0,5 кет — машины весьма малой мощности,

или микромашины, 0,5—20 кет — машины малой мощности, 20—

250 кет — машины средней мощности и более 250 кет — машины

большой мощности. Эти границы между группами в определенной

степени условны.

В-3. Системы единиц

В СССР для электрических, магнитных, механических и других

измерений, согласно ГОСТ 9867—61, применяется Международная

система единиц (СИ), основными единицами которой являются

метр, килограмм (масса), секунда, ампер. По этому ГОСТ допу-

скается также использование абсолютной системы единиц СГС,

основными единицами которой являются сантиметр, грамм (масса),

секунда и в которой электрическая постоянная е

и магнитная по-

стоянная |л

при нерационализованной форме уравнений электро-

магнитного поля равны единице.

В табл. В-1 приводятся наименования и обозначения единиц

систем СИ и СГС, а также численные соотношения между ними.

Наименования отдельных единиц пока еще не установлены. Углы

в системе СИ измеряются в радианах.

Единицы, содержащиеся в системе СИ, начинают широко при-

меняться также для измерения тепловых и других величин.

В данной книге используется система единиц СИ и мате-

матические соотношения пишутся в рационализованной форме,

при которой множитель 4я из наиболее общих закономерностей

устраняется и переходит в соотношения, характеризуемые сфери-

ческой симметрией. При этом электрическая постоянная

Ео== 10?

ад на мет

Р W

где с

= 3

•

м/сек — скорость света в пустоте, и магнитная

постоянная

= 4л-Ю"

генри на метр (гн/м).

Таблица В-1

Наименование величины

Единица

СИ

Сокращенное

обозначение

Единица

СГС

Сокращенное

обозначение

Величина еди-

ницы системы

СГС в единицах

системы СИ

Наименование величины

Единица

СИ

Рус-

ское

латинское

Единица

СГС

русское латинское

Величина еди-

ницы системы

СГС в единицах

системы СИ

Длина

метр

м m

сантиметр см cm

10-2

Масса

килограмм кг

грамм г

10~

кг

Время

секунда сек s

секунда

сек s

1 сек

Электрический ток

ампер

— — —

cj"

•

10 а

Механическая сила ньютон н N

дина

дин

dyn 10~

Работа и энергия

джоуль

дж J

эрг

erg

-7

дж

Мощность

ватт

— — —

10-' вт

Электрический заряд кулон к

— — — cj

•

10 к

Электрическое напряжение, э. д. е.,

вольт

в V — — —

•

разность электрических потенциалов

Напряженность электрического поля

—

е/м

V/m

— — — с

•

10"

е/м

Электрическая емкость

фарада

— — — CJ

•

10' ф

Электрическое сопротивление

ом ом

— — —

Cf, •

10-9, ом

Магнитный поток вебер

еб

максвелл МКС

10"

вб

Магнитная индукция

тесла тл,

я/?/ м2

—

гаусс

гс Gs

10"

тл

Ицдуктивность и взаимная индук-

генри

гн H

— — —

с§-10"

гн

тивность

Намагничивающая сила

ампер или

а, ав

гильберт

гб,

-}-• 10 а

4зт

ампер-виток

Напряженность магнитного поля ампер на

а/м

A/m

эрстед э Oe

• 10

а/м

4л

метр

Момент инерции (динамический)

—

кг

• м

•

—

•

см

• CM

10~

кг-лI

Примечание: с

= 2,998 • 1С

3 • 1С"

—

числовое значение скорости света в пустоте в см/сек.