Лекция №1. История развития электрических машин

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра «Электропривод и автоматизация промышленных установок"

Электромеханика и электротехническое оборудование

(Электромеханика)

Конспект лекции

для студентов всех форм обучения специальности 050718 - Электроэнергетика

Алматы 2008

СОСТАВИТЕЛИ: К.К.Жумагулов., Р.М. Шидерова. Электромеханика и электротехническое оборудование (Электромеханика).

Конспект лекций для студентов всех форм обучения специальности 050718 – Электроэнергетика. – Алматы: АИЭС, 2007. - 74 с.

Конспект лекций по курсу “Электромеханика и электротехническое оборудование” разработан в соответствии с учебной программой и рассчитан на 17 часов для бакалавров специальности 050718 – Электроэнергетика.

Рассмотрены история развития электромашиностроения, устройства, принцип действия, основные характеристики электрических машин, математическое описание процессов преобразования энергии. Обобщенный электромеханический преобразователь, режимы и управление процессами электромеханического преобразования энергии.

Конспект лекций предназначен для бакалавров дневной и заочной форм обучения специальностей электроэнергетического направления.

Содержание

1 Лекция №1. История развития электрических машин…………..…......4

2 Лекция №2. Электромеханическое и электрическое преобразование энергии в электрических машинах………………………………………....7

3 Лекция №3. Электрические машины как основа электроэнергетики ……………………….……………………………………………………....10

4 Лекция №4. Математическое описание процессов преобразования энергии ……………………………………………………………………...17

5 Лекция №5. Обобщенный электромеханический преобразователь.…22

6 Лекция №6. Трансформаторы. Назначение, принцип действия и устройство ………………………………………………………………….....23

7 Лекция №7. Векторная диаграмма трансформатора при холостом ходе ………………………………………………………………………………....27

8 Лекция № 8. Режим короткого замыкания……………...……………....30

9 Лекция №9. Электромеханические свойства машин постоянного и переменного тока. Режимы преобразования энергии…………………...34

10 Лекция №10. Электродвижущие силы в обмотках машин переменного тока.............................................................................................................................38

11 Лекция №11. Электромеханические свойства машин переменного тока. Основные типы машин переменного тока и их устройство……....43

12 Лекция №12. Пуск в ход асинхронных двигателей………………….46

13 Лекция №13. Регулирование скорости вращения асинхронных двигателей…………………………………………………………………..50

14 Лекция №14. Синхронные двигатели.........................................................56

15 Лекция №15. Генераторы постоянного тока.............................................59

16 Лекция №16. Двигатели постоянного тока. Способы пуска, характеристики двигателей.................................................................................63

17 Лекция № 17. Регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока…………………………………………………….…..…68

Список литературы ………………………………………………….….…72

Лекция №1. История развития электрических машин

Цель лекции:

- ознакомить студентов: сосновными законами физики и электротехники;

- работами ученых-электромехаников..

Содержание лекции:

- основные законы физики и электротехники;

- общие сведения о работах ученных-электромеханиках.

Чтобы глубоко разобраться в закономер­ностях развития любой отрасли знания, необ­ходимо знать ее историю. История развития электрических машин весьма поучительна и за­служивает внимания.

Принято считать, что история электриче­ских машин начинается с создания М. Фарадеем в 1821г. электрического двигателя, кото­рый представлял собой постоянный магнит 1, вокруг которого вращался проводник с током 2 (см. рисунок 1.1). Скользящий контакт обеспечивался ртутью, налитой в чашу 3, и верхней опорой 4. В двигателе Фарадея при постоянном токе в проводнике и постоянном магнитном поле, соз­даваемом постоянным магнитом, осуществля­лось преобразование электрической энергии в механическую.

Открытие Фарадея не было случайным, оно было подготовлено работами многих физи­ков. В 1799 г. итальянский ученый А. Вольта создал электрохимический генератор - вольтов столб, который состоял из цинковых и медных дисков, разделенных прокладками, смоченными кислотой.

В 1820 г. французскими учеными Ж. Био и Ф. Саваром был сформулирован закон дей­ствия тока на магнит. В том же году Г. Эр­стед опубликовал работу, в которой описыва­лось отклонение магнитной стрелки под дейст­вием электрического тока, а Ф. Араго предло­жил соленоид. В 1821 г, X. Дэви обнаружил влияние на проводимость температуры и ма­териала проводника. Результаты исследований Г. Ома (закон Ома) были опубликованы в 1827 г.

Рисунок 1.1 - Двига­тель М. Фарадея.

В 1824г. Ф. Араго обнаружил, что при вращении медного диска над магнитной стрел­кой стрелка увлекается в сторону вращения диска. Это явление получило объяснение толь­ко после открытия закона электромагнитной индукции.

Фарадей в 1831г., проведя тысячи опытов, показал возможность «превращения магнетиз­ма в электричество», открыв закон электромаг­нитной индукции.

Фарадей в своих опытах различал два ви­да индукции: индукцию тока током («вольта - электрическая индукция» по терминологии Фа­радея) и магнитоэлектрическую индукцию («возбуждение электричества при помощи маг­нетизма»). Однако он заметил, что при даль­нейшем изучении различие между двумя вида­ми индукции исчезает.

В первой группе опытов Фарадей наблю­дал появление индуктированного тока во вто­ричной катушке w₂ при коммутации первичной катушки w₁или при взаимном перемещении первичной и вторичной цепей. При этом в не­которых опытах для усиления явления он ис­пользовал стальные сердечники (см. рисунок 1.2,а). Следует отметить, что эта установка имела все признаки трансформатора.

б)

Рисунок 1.2 - Установки, на которых М. Фарадей изучал явления электромагнитной индукции

Во второй группе опытов индуктированный ток возникал при относительных перемещениях магнита и катушки или при замыкании и раз­мыкании магнитной цепи. Фарадей показал, что на основании этих наблюдений можно по­строить электромеханический генератор, кото­рый состоял бы из магнита и полюсных нако­нечников, между которыми вращался бы мед­ный диск (см. рисунок 1.2,б). Если наложить одну щетку на периферию диска, а другую — на ось и в цепь щеток включить гальванометр, то по­следний при вращении диска фиксирует элек­трический ток.

Продолжатель дела Фарaдея, его сооте­чественник Д. К. Максвелл писал, что он толь­ко переводил идеи Фарадея в математическую форму. Но вместе с тем он дал замечательную характеристику взглядов своего предшествен­ника: «Приступив к изучению труда Фарадея, я установил, что его метод понимания явлений был также математическим, хотя и не пред­ставленным в форме обычных математических символов...». Фарадей видел силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояний; Фа­радей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам.

В 1832г. Э. Ленц сформулировал закон о направлении индуктированного тока, а также принцип обратимости электрических машин. В 1838г. Э.Ленц экспериментально показал возможность работы машины постоянного тока в генераторном и двигательном режимах.

Системы однофазного переменного тока хотя и позволяли передавать энергию на боль­шие расстояния, не решали проблемы примене­ния переменного тока в промышленности. Од­нофазные двигатели переменного тока не име­ли пускового момента, имели низкие энерге­тические показатели и не годились для применения в электроприводах.

В 1889г. выдающийся русский электротех­ник М.О. Доливо-Добровольский предложил трехфазную систему переменных токов и в том же году построил первый трехфазный асин­хронный двигатель и трансформатор.

Трехфазный трансформатор был построен сначала с радиальным расположением обмо­ток, а в 1891г. М. О. Доливо-Добровольский получил патент на трехфазный трансформатор с параллельными стержнями, расположенными в одной плоскости. Такая конструкция тpaнcформатора применяется и в настоящее время.

В 1899г. паровая турбина была впервые соединена с турбогенератором мощностью 1 МВт. Началось внедрение электричества во все отрасли промышленности. Стали строиться мощные электрические станции, крупные син­хронные и асинхронные машины и трансфор­маторы. Впоследствии отдельные станции объединились в энергосистемы, мощности которых достигли сотен миллионов киловатт. В ХХ в. наряду с другими отраслями промышленности бурно развивалась электротехническая про­мышленность.

Мощности машин возросли в 100 и 1000 раз, расход материалов на единицу мощности был уменьшен в 10—100 раз. Были созданы, для различных областей техники, уникальные электрические машины не только как силовые преобразователи, но и как индикаторные уст­ройства для точнейших навигационных и дру­гих систем автоматики.

В последнее десятилетие каждый день па­тентные организации во всем мире выдают авторское свидетельство или патент с названи­ем «Электрическая машина». Трудно выделить из этого потока выдающиеся изобретения, так как слишком много было создано уникальных электромеханических систем, позволивших ре­шить сложнейшие технические проблемы. Электрические машины прочно вошли во все сферы нашей жизни. Человек быстро к. ним привык и в век урбанизации на фоне других удивительных достижений перестал их даже замечать. В середине XX в. происходило слия­ние электрических машин с машинами-орудия­ми и управляющими элементами, магнитными усилителями и полупроводниковыми преобра­зователями. Развивалось специальное машино­строение. Появились электромашинные усили­тели, различные исполнительные двигатели, шаговые двигатели, импульсные генераторы, МГД - генераторы и многие другие уникальные электрические машины. Однако создатели их, как правило, делая исторический обзор, ука­зывали на аналоги, хотя и не очень схожие, созданные изобретателями, жившими в про­шлом веке.

Начав свою историю с машин, в которых электромеханическое преобразование энергии осуществлялось в электрическом поле, в XIX-XX вв. электромеханика достигла поразитель­ных успехов благодаря индуктивным электри­ческим машинам, в которых преобразование энергии осуществляется магнитным полем. За это время в области емкостных машин были лишь отдельные удачные технические решения. В 1870 г. Уимшерст создал машину трения, ко­торая демонстрируется в школах на курсах физики.

Особые заслуги в развитии электромагнит­ной теории принадлежат Д.К. Максвеллу, ко­торый в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873г.) изложил математиче­скую теорию электромагнитного поля. Уравне­ния Максвелла описывают теорию поля и которая яв­ляются фундаментом теории электромехани­ческого преобразования энергии.

К 30-м годам трудами многих ученых, и в первую очередь Э. Арнольда, А. Блонделя, М, Видмара, Л. Дрейфуса, К. А. Круга. В. С. Кулебакина, Р. Рихтера, К. И. Шенфера и др., была создана классическая теория уста­новившихся режимов электрических машин. К этому времени были написаны классические учебники по всем разделам электрических ма­шин, в которых излагалась теория установив­шихся режимов электрических машин.

В последние десятилетия вычислительные машины позволили решать сложные системы дифференциальных уравнений, описывающие переходные и установившиеся режимы элек­трических машин с учетом нелинейностей, не­синусоидальности питающего напряжения, мно­гих контуров на статоре и роторе и других факторов, которые ранее при анализе процессов преобразования энергии не учитывались.

Трудами многих ученых — Б. Адкинса, Г. Вудсона, А.А. Горева, Л.Н. Грузова, Е.Я. Казовского, И. Ковача, Г.Н. Петрова, И. Раца, И.И. Трещева, Д. Уайта и др. — теория переходных процессов электрических машин продвинулась далеко вперед.

История развития электрических машин продолжается сегодня в многотысячных про­изводственных, научных и учебных коллекти­вах электромехаников, возглавляемых И.А. Глебовым, И.М. Постниковым, В.В. Романо­вым, Н.С. Сиуновым, Г.А. Сипайловым, В.А. Яковенко и многими другими учеными.