El Maschinen Katsman. Katsman M.M. Elektrische Autos. § UM 2. Elektrische Maschinen – elektromechanische Energiewandler

Siehe auch:
• (Dokumentieren)
• Katsman M.M. Elektrische Maschinen (Dokument)
• Stand D.A. Berührungslose elektrische Maschinen (Dokument)
• Katsman M.M. Elektrische Maschinen, Instrumentierungsgeräte und Automatisierungsgeräte (Dokument)
• Kritsshtein A.M. Elektromagnetische Verträglichkeit in der Elektrizitätswirtschaft: Schulungshandbuch (Dokument)
• Andrianov V.N. Elektrische Maschinen und Geräte (Dokument)
• Katsman M.M. Handbuch der elektrischen Maschinen (Dokument)
• German-Galkin S.G., Kardonov G.A. Elektrische Autos. Laborarbeit am PC (Dokument)
• Kochegarov B.E., Lotsmanenko V.V., Oparin G.V. Haushaltsgeräte und Maschinen. Lernprogramm. Teil 1 (Dokument)
• Kopylov I.P. Handbuch der elektrischen Maschinen Band 1 (Dokument)
• Kritsshtein A.M. Elektrische Maschinen (Dokument)

n1.doc

Einführung

§ IN 1. Zweck elektrischer Maschinen und Transformatoren

Die Elektrifizierung erfolgt durch elektrische Produkte der Elektroindustrie. Der Hauptzweig dieser Branche ist Elektrotechnik, beschäftigt sich mit der Entwicklung und Produktion von elektrischen Maschinen und Transformatoren.

Elektrische Maschine ist ein elektromechanisches Gerät, das die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie durchführt. Elektrische Energie wird in Kraftwerken durch elektrische Maschinen erzeugt – Generatoren, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln. Der Großteil des Stroms (bis zu 80 %) wird in Wärmekraftwerken erzeugt, wo bei der Verbrennung chemischer Brennstoffe (Kohle, Torf, Gas) Wasser erhitzt und in Dampf umgewandelt wird hoher Druck. Letzteres wird in die Turbine eingespeist, wo es sich ausdehnt und den Turbinenrotor in Rotation versetzt ( Wärmeenergie in der Turbine wird es in mechanisch umgewandelt). Die Drehung des Turbinenrotors wird auf die Welle des Generators (Turbogenerator) übertragen. Durch elektromagnetische Prozesse im Generator wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Der Prozess der Stromerzeugung in Kernkraftwerken ähnelt dem von thermischen Kraftwerken, mit dem einzigen Unterschied, dass Kernbrennstoff anstelle von chemischem Brennstoff verwendet wird.

Der Prozess der Stromerzeugung in Wasserkraftwerken läuft wie folgt ab: Wasser, das von einem Damm auf ein bestimmtes Niveau angehoben wird, wird auf das Laufrad einer Wasserturbine geleitet; Die durch Rotation des Turbinenrads entstehende mechanische Energie wird auf die Welle eines elektrischen Generators übertragen, in dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Beim Verbrauch elektrischer Energie wird diese in andere Energiearten (thermisch, mechanisch, chemisch) umgewandelt. Etwa 70 % des Stroms werden zum Antrieb von Maschinen, Mechanismen und Fahrzeugen verwendet, also in mechanische Energie umgewandelt. Diese Transformation wird durch elektrische Maschinen durchgeführt - Elektromotoren.

Ein Elektromotor ist das Hauptelement des elektrischen Antriebs von Arbeitsmaschinen. Die gute Steuerbarkeit der elektrischen Energie und die einfache Verteilung haben es ermöglicht, mehrmotorige Elektroantriebe für Arbeitsmaschinen in der Industrie weit verbreitet einzusetzen, wenn einzelne Glieder vorhanden sind Arbeitsmaschine angetrieben durch unabhängige Motoren. Ein Mehrmotorenantrieb vereinfacht den Mechanismus einer Arbeitsmaschine erheblich (die Anzahl der mechanischen Zahnräder, die einzelne Teile der Maschine verbinden, wird reduziert) und schafft große Möglichkeiten zur Automatisierung verschiedener technologische Prozesse. Elektromotoren werden im Transportwesen häufig als Fahrmotoren eingesetzt, die Radpaare von Elektrolokomotiven, Elektrozügen, Oberleitungsbussen usw. antreiben.

Hinter In letzter Zeit Der Einsatz elektrischer Maschinen hat deutlich zugenommen geringer Strom- Mikromaschinen mit einer Leistung von Bruchteilen bis zu mehreren hundert Watt. Derartige elektrische Maschinen werden in Geräten der Automatisierungs- und Computertechnik eingesetzt.

Eine besondere Klasse elektrischer Maschinen sind Motoren für den Haushalt elektronische Geräte- Staubsauger, Kühlschränke, Ventilatoren usw. Die Leistung dieser Motoren ist gering (von einigen bis zu Hunderten Watt), das Design ist einfach und zuverlässig und sie werden in großen Stückzahlen hergestellt.

In Kraftwerken erzeugte elektrische Energie muss an Orte ihres Verbrauchs übertragen werden, vor allem in große Industriezentren des Landes, die weit entfernt liegen leistungsstarke Kraftwerkeüber viele hunderte und manchmal tausende Kilometer. Doch die Übertragung von Elektrizität reicht nicht aus. Es muss auf viele verschiedene Verbraucher verteilt werden – Industrieunternehmen, Verkehr, Wohngebäude usw. Strom wird über weite Strecken mit übertragen Hochspannung(bis zu 500 kV und mehr), was minimale elektrische Verluste in Stromleitungen gewährleistet. Daher ist es bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie erforderlich, die Spannung immer wieder zu erhöhen und zu verringern. Dieser Vorgang wird durch sogenannte elektromagnetische Geräte durchgeführt Transformer. Ein Transformator ist keine elektrische Maschine, da seine Arbeit nicht mit der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und umgekehrt zusammenhängt; es wandelt lediglich Spannung in elektrische Energie um. Darüber hinaus ist ein Transformator ein statisches Gerät und verfügt über keine beweglichen Teile. Die in Transformatoren ablaufenden elektromagnetischen Vorgänge ähneln jedoch den Vorgängen beim Betrieb elektrischer Maschinen. Außerdem, elektrische Maschinen und Transformatoren zeichnen sich durch die gleiche Art elektromagnetischer und energetischer Prozesse aus, die bei der Wechselwirkung entstehen Magnetfeld und einen stromführenden Leiter. Aus diesen Gründen sind Transformatoren ein integraler Bestandteil des Lehrgangs Elektrische Maschinen.

Bezeichnet wird der Zweig der Wissenschaft und Technik, der sich mit der Entwicklung und Herstellung elektrischer Maschinen und Transformatoren beschäftigt Elektrotechnik.Theoretische Basis Der elektrische Maschinenbau wurde 1821 von M. Faraday gegründet, der die Möglichkeit der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie begründete und das erste Modell eines Elektromotors schuf. Die Arbeiten der Wissenschaftler D. Maxwell und E. H. Lenz spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung der Elektrotechnik. Weiterentwicklung der Idee der gegenseitigen Transformation von Elektro- und mechanische Energie erhalten in den Werken der herausragenden russischen Wissenschaftler B. S. Jacobi und M. O. Dolivo-Dobrovolsky, die praxistaugliche Elektromotorkonstruktionen entwickelten und schufen. Große Errungenschaften bei der Entwicklung von Transformatoren und ihrer praktischen Anwendung gehören dem bemerkenswerten russischen Erfinder P.N. Jablotschkow. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden alle wichtigen Arten elektrischer Maschinen und Transformatoren geschaffen und die Grundlagen ihrer Theorie entwickelt.

Derzeit hat die heimische Elektrotechnik bedeutende Erfolge erzielt. Gab es zu Beginn dieses Jahrhunderts in Russland praktisch keine Elektrotechnik als eigenständigen Industriezweig, so ist in den letzten 50-70 Jahren ein Zweig der Elektroindustrie entstanden – die Elektrotechnik, der in der Lage ist, die Bedürfnisse unserer Kunden zu erfüllen Entwicklung nationale Wirtschaft in elektrischen Maschinen und Transformatoren. Ein Kader qualifizierter Elektromaschinenbauer – Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker – wurde ausgebildet.

Der weitere technische Fortschritt definiert als Hauptaufgabe die Festigung der Erfolge der Elektrotechnik durch die praktische Umsetzung neuester Errungenschaften der Elektrotechnik in die tatsächliche Entwicklung elektrischer Antriebsvorrichtungen für industrielle Geräte und Produkte Haushaltsgeräte. Die Umsetzung erfordert überwiegend die Verlagerung der Produktion intensiver Weg Entwicklung. Die Hauptaufgabe besteht darin, das Tempo und die Effizienz der wirtschaftlichen Entwicklung auf der Grundlage der Beschleunigung des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts, der technischen Umrüstung und des Wiederaufbaus der Produktion sowie der intensiven Nutzung des geschaffenen Produktionspotenzials zu steigern. Eine wesentliche Rolle bei der Lösung dieses Problems kommt der Elektrifizierung der Volkswirtschaft zu.

Gleichzeitig gilt es, den steigenden Umweltanforderungen an Energieträger Rechnung zu tragen und damit einherzugehen traditionelle Wege Entwicklung umweltfreundlicher (alternativer) Methoden zur Stromerzeugung aus Sonne, Wind, Meeresgezeiten, Thermalquellen. Weitgehend umgesetzt automatisierte Systeme in verschiedenen Bereichen der Volkswirtschaft. Das Hauptelement dieser Systeme ist ein automatisierter Elektroantrieb, daher ist es notwendig, die Produktion automatisierter Elektroantriebe beschleunigt zu steigern.

Im Kontext der wissenschaftlichen und technologischen Entwicklung sehr wichtig Erwerben Sie Arbeiten im Zusammenhang mit der Verbesserung der Qualität hergestellter elektrischer Maschinen und Transformatoren. Die Lösung dieses Problems ist ein wichtiges Mittel zur Entwicklung der internationalen wirtschaftlichen Zusammenarbeit. Relevant wissenschaftliche Institutionen Und Industrieunternehmen Russland arbeitet an der Entwicklung neuer Arten elektrischer Maschinen und Transformatoren, die alle Anforderungen erfüllen moderne Anforderungen auf die Qualität sowie technische und wirtschaftliche Indikatoren der hergestellten Produkte.

§ UM 2. Elektrische Maschinen – elektromechanische Energiewandler

Reis. IN 1. Zum Konzept eines „Elementargenerators“ (A) und „Elementarmotor“ (b)

Beim Betrieb einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Die Natur dieses Prozesses wird erläutert Elektrogesetzelektromagnetische Induktion: wenn äußere Kraft F Beeinflussen Sie einen in einem Magnetfeld platzierten Leiter und bewegen Sie ihn (Abb. B.1, a), beispielsweise von links nach rechts senkrecht zum Induktionsvektor IN Magnetfeld mit der Geschwindigkeit , dann wird der Leiter induziert elektromotorische Kraft(EMF)

E=Blv,(B.1)

wo drin - magnetische Induktion, T; l ist die aktive Länge des Leiters, d. h. die Länge seines im Magnetfeld befindlichen Teils, m;  - Leitergeschwindigkeit, m/s.

Reis. UM 2. Regeln " rechte Hand" und "linke Hand"

Um die Richtung der EMF zu bestimmen, sollten Sie die „rechte Hand“-Regel verwenden (Abb. B.2, A). Mit dieser Regel bestimmen wir die Richtung der EMF im Leiter (von uns weg). Wenn die Enden des Leiters mit einem externen Widerstand kurzgeschlossen sind R (Verbraucher), dann entsteht unter dem Einfluss von EMF im Leiter ein Strom gleicher Richtung. Somit kann in diesem Fall ein Leiter in einem Magnetfeld betrachtet werden als elementarNeuer Generator.

Als Ergebnis der Wechselwirkung von Strom ICH Bei einem Magnetfeld entsteht eine elektromagnetische Kraft, die auf den Leiter wirkt

F EM = BlI. (UM 2)

Kraftrichtung F EM kann durch die „Linkshand“-Regel bestimmt werden (Abb. B.2, b ). Im betrachteten Fall ist diese Kraft von rechts nach links gerichtet, d.h. entgegengesetzt zur Bewegung des Dirigenten. Somit ist im betrachteten Elementargenerator die Kraft F EM ist hemmend gegenüber treibende Kraft F .

Bei gleichmäßige Bewegung Dirigent F = F EM . Wenn wir beide Seiten der Gleichheit mit der Geschwindigkeit des Dirigenten multiplizieren, erhalten wir

F = F EM 

Ersetzen wir den Wert F EM in diesen Ausdruck aus (B.2):

F = BlI = EI (V.Z)

Die linke Seite der Gleichheit bestimmt den Wert mechanische Kraft, wird für die Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld aufgewendet; rechter Teil- der Wert der elektrischen Leistung, die in einem geschlossenen Stromkreis durch den elektrischen Strom I entwickelt wird. Das Gleichheitszeichen zwischen diesen Teilen zeigt, dass im Generator die durch eine äußere Kraft aufgewendete mechanische Leistung in elektrische Leistung umgewandelt wird.

Wenn die äußere Kraft F nicht an den Leiter anlegen, sondern Spannung U aus einer elektrischen Quelle an ihn anlegen so dass der Strom I im Leiter die in Abb. gezeigte Richtung hat. V.1, geb , dann wirkt auf den Leiter nur noch die elektromagnetische Kraft F EM . Unter dem Einfluss dieser Kraft beginnt sich der Leiter im Magnetfeld zu bewegen. Dabei wird im Leiter eine EMK entgegen der Spannung U induziert. Somit ist ein Teil der Spannung U, Die an den Leiter angelegte Spannung wird durch die EMK ausgeglichen E, in diesem Leiter induziert wird, und der andere Teil ist der Spannungsabfall im Leiter:

U = E + Ir, (B.4)

wo r - elektrischer Widerstand eines Leiters.

Multiplizieren wir beide Seiten der Gleichheit mit dem Strom ICH:

UI = EI + I 2 r.

Stattdessen ersetzen E Den Wert der EMK aus (B.1) erhalten wir

UI =BlI + I 2 r,

oder, nach (B.2),

UI=F EM  + ICH 2 R. (UM 5)

Aus dieser Gleichheit folgt das elektrische Energie (Benutzeroberfläche), Das Eindringen in den Leiter wird teilweise in mechanische umgewandelt (F EM  ), und wird teilweise für die Deckung elektrischer Verluste im Leiter aufgewendet ( ICH 2 R). Daher kann ein stromdurchflossener Leiter, der in einem Magnetfeld angeordnet ist, als betrachtet werden ElementContainer-Elektromotor.

Die betrachteten Phänomene lassen den Schluss zu: a) Für jede elektrische Maschine ist das Vorhandensein eines elektrisch leitenden Mediums (Leiter) und eines Magnetfelds erforderlich, die sich gegenseitig bewegen können; b) wenn eine elektrische Maschine sowohl im Generatormodus als auch im Motormodus arbeitet, die Induktion einer EMF in einem Leiter, der ein Magnetfeld durchquert, und die Entstehung einer Kraft, die auf einen Leiter wirkt, der sich in einem Magnetfeld befindet, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt werden gleichzeitig beobachtet; c) Die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie in einer elektrischen Maschine kann in jede Richtung erfolgen, d.h. die gleiche elektrische Maschine kann sowohl im Motor- als auch im Generatormodus betrieben werden; diese Eigenschaft elektrischer Maschinen nennt man Reversibilität. Das Prinzip der Reversibilität elektrischer Maschinen wurde erstmals vom russischen Wissenschaftler E. X. Lenz aufgestellt.

Gilt als „elementar“ elektrischer Generator und der Motor spiegeln nur das Prinzip wider, die Grundgesetze und Phänomene des elektrischen Stroms in ihnen zu nutzen. Wie für Design, dann sind die meisten elektrischen Maschinen auf dem Prinzip der Rotationsbewegung ihres beweglichen Teils aufgebaut. Trotz der großen Vielfalt an Konstruktionen elektrischer Maschinen ist es durchaus möglich, sich eine verallgemeinerte Konstruktion einer elektrischen Maschine vorzustellen. Dieses Design (Abb. B.3) besteht aus einem festen Teil 1, genannt Stator, und ein rotierendes Teil 2 genannt roTorus Der Rotor sitzt in der Statorbohrung und ist von dieser durch einen Luftspalt getrennt. Einer dieser Teile der Maschine ist mit Elementen ausgestattet, die ein Magnetfeld in der Maschine anregen (z. B. ein Elektromagnet oder ein Permanentmagnet), und der andere hat eine Wicklung, die wir herkömmlicherweise nennen herumarbeitenStrang der Maschine. Sowohl der stationäre Teil der Maschine (Stator) als auch der bewegliche Teil (Rotor) verfügen über Kerne aus weichmagnetischem Material mit geringem magnetischen Widerstand.

Reis. V.Z. Verallgemeinert Designdiagramm elektrische Maschine

Wenn eine elektrische Maschine im Generatorbetrieb arbeitet, wird beim Drehen des Rotors (unter der Wirkung des Antriebsmotors) eine EMK in den Leitern der Arbeitswicklung induziert und beim Anschließen eines Verbrauchers eine EMK elektrischer Strom. Dabei wird die mechanische Energie des Antriebsmotors in elektrische Energie umgewandelt. Soll die Maschine als Elektromotor betrieben werden, wird die Arbeitswicklung der Maschine an das Netz angeschlossen. Dabei interagiert der in den Wicklungsleitern erzeugte Strom mit dem Magnetfeld und es entstehen elektromagnetische Kräfte auf den Rotor, die den Rotor in Rotation versetzen. In diesem Fall wird die vom Motor aus dem Netz verbrauchte elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die für die Drehung eines Mechanismus, einer Maschine usw. aufgewendet wird.

Es ist auch möglich, elektrische Maschinen zu konstruieren, bei denen sich die Arbeitswicklung am Stator und die das Magnetfeld anregenden Elemente am Rotor befinden. Das Funktionsprinzip der Maschine bleibt gleich.

Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen ist sehr breit – von Bruchteilen eines Watts bis hin zu Hunderttausenden Kilowatt.

§ V.Z. Klassifizierung elektrischer Maschinen

Auch elektrische Maschinen werden zur Leistungsverstärkung eingesetzt. elektrische Signale. Solche elektrischen Maschinen nennt man Verstärker für elektrische Maschinen. Als elektrische Maschinen werden elektrische Maschinen bezeichnet, die der Verbesserung des Leistungsfaktors von Stromverbrauchern dienen SynchronkompensationTori. Als elektrische Maschinen werden Wechselstrom-Spannungsregelungen bezeichnet InduktionsregulierungTori

Sehr vielseitige Anwendung Mikromaschinen in Geräten der Automatisierungs- und Computertechnik. Dabei werden elektrische Maschinen nicht nur als Motoren, sondern auch als eingesetzt Tachogeneratoren(Um die Drehzahl in ein elektrisches Signal umzuwandeln), Selsyns, rotierende Transformatoren(um elektrische Signale zu empfangen, die proportional zum Drehwinkel der Welle sind) usw.

Aus den obigen Beispielen wird deutlich, wie vielfältig die Einteilung elektrischer Maschinen je nach Verwendungszweck ist.

Betrachten wir die Klassifizierung elektrischer Maschinen nach dem Funktionsprinzip, nach der alle elektrischen Maschinen in bürstenlose und kommutatorische Maschinen unterteilt werden, die sich sowohl im Funktionsprinzip als auch im Design unterscheiden. Bürstenlose Maschinen sind Wechselstrommaschinen. Sie werden in asynchrone und synchrone unterteilt. A Synchronmaschinen Sie werden hauptsächlich als Motoren eingesetzt, während Synchronmotoren sowohl als Motoren als auch als Generatoren eingesetzt werden. Kommutatormaschinen werden hauptsächlich zum Betrieb mit Gleichstrom als Generatoren oder Motoren eingesetzt. Nur Kommutatormaschinen mit geringer Leistung werden zu Universalmotoren verarbeitet, die sowohl im Gleichstrom- als auch im Wechselstromnetz betrieben werden können.

Elektrische Maschinen mit demselben Funktionsprinzip können sich in ihren Anschlussmustern oder anderen Eigenschaften unterscheiden, die sich auf die Betriebseigenschaften dieser Maschinen auswirken. Beispielsweise können Asynchron- und Synchronmaschinen dreiphasig sein (enthalten in Dreiphasennetz), Kondensator oder einphasig. Abhängig von der Ausführung der Rotorwicklung werden Asynchronmaschinen in Maschinen mit Käfigläufer und Maschinen mit Käfigläufer unterteilt gewickelter Rotor. Synchronmaschinen und Kommutatormaschinen Gleichstrom Je nach Art der Erzeugung eines magnetischen Erregerfeldes werden sie in Maschinen mit Erregerwicklung und Maschinen mit Erregerwicklung unterteilt Permanentmagnete. In Abb. B.4 stellt ein Diagramm der Klassifizierung elektrischer Maschinen dar, das die wichtigsten Arten elektrischer Maschinen enthält, die erhalten wurden größte Anwendung in einem modernen Elektroantrieb. Die gleiche Klassifizierung elektrischer Maschinen bildet die Grundlage für das Studium der Lehrveranstaltung „Elektrische Maschinen“.

ZU
Der Studiengang „Elektrische Maschinen“ umfasst neben den elektrischen Maschinen selbst auch das Studium von Transformatoren. Transformatoren sind statische Wandler von Wechselstrom. Der Verzicht auf rotierende Teile verleiht Transformatoren ein Design, das sie grundlegend von elektrischen Maschinen unterscheidet. Das Funktionsprinzip von Transformatoren sowie das Funktionsprinzip elektrischer Maschinen basieren jedoch auf dem Phänomen der elektromagnetischen Induktion, und daher bilden viele Bestimmungen der Theorie der Transformatoren die Grundlage der Theorie der elektrischen Wechselstrommaschinen.

Elektrische Maschinen und Transformatoren sind die Hauptelemente jedes Energiesystems oder jeder Energieanlage. Daher sind für Spezialisten, die in der Herstellung oder dem Betrieb elektrischer Maschinen tätig sind, Kenntnisse der Theorie und ein Verständnis des physikalischen Wesens elektromagnetischer, mechanischer und thermischer Prozesse in elektrischen Maschinen erforderlich und Transformatoren während ihres Betriebs erforderlich.

SEKUNDÄRE BERUFSBILDUNG

M. M. KATSMAN

„Bundesinstitut für Bildungsentwicklung“ als Lehrbuch für den Einsatz im Bildungsprozess Bildungsinstitutionen Umsetzung des Landesbildungsstandards für die berufliche Sekundarbildung in der Fachrichtung 140400 „Elektrische Energietechnik und Elektrotechnik“

12. Auflage, stereotyp

REZENSION:

E. P. Rudobaba (Moskauer Abend-Elektromechanik

Fachschule benannt nach L. B. Krasina)

Katsman M. M.

K 307 Elektrische Maschinen: ein Lehrbuch für Studierende. Institutionen Prof. Bildung / M. M. Katsman. - 12. Aufl., gelöscht. - M.: Verlagszentrum "Academy", 2013. - 496 S.

ISBN 978&5&7695&9705&3

Das Lehrbuch behandelt die Theorie, das Funktionsprinzip, den Aufbau und die Analyse der Betriebsarten elektrischer Maschinen und Transformatoren im Allgemeinen und besonderer Zweck, die in verschiedenen Bereichen der Technik weit verbreitet sind.

Das Lehrbuch kann beim Mastering verwendet werden Berufsmodul PM.01. "Organisation Wartung und Reparatur von elektrischen und elektromechanischen Geräten“ (MDK.01.01) im Fachgebiet 140448 „ Technischer Betrieb und Wartung elektrischer und elektromechanischer Geräte.“

Für Studierende weiterführender Institutionen Berufsausbildung. Kann für Universitätsstudenten nützlich sein.

UDC 621.313(075.32) BBK 31.26ya723

Das Originallayout dieser Veröffentlichung ist Eigentum des Academy Publishing Center und seine Vervielfältigung in irgendeiner Weise ohne Zustimmung des Urheberrechtsinhabers ist untersagt

© M. M. Katsman, 2006

© T.I.Svetova, Erbin von Katsman M.M., 2011

© Bildung und Veröffentlichung Zentrum „Akademie“, 2011

ISBN 978 5 7695 9705 3 © Design. Verlagszentrum „Akademie“, 2011

VORWORT

Das Lehrbuch ist in Übereinstimmung mit geschrieben Trainingsprogramme Fach „Elektrische Maschinen“ für die Fachrichtungen „Elektrische Maschinen und Geräte“, „Elektrische Isolier-, Kabel- und Kondensatorausrüstung“ und „Technischer Betrieb, Wartung und Reparatur elektrischer und elektromechanischer Geräte“ weiterführender Berufsbildungseinrichtungen.

Das Buch enthält die Grundlagen der Theorie, Beschreibung von Konstruktionen und Analyse der Betriebseigenschaften von Transformatoren und elektrischen Maschinen. Darüber hinaus liefert es Beispiele zur Problemlösung, die sicherlich einen Beitrag leisten werden besseres Verstehen die untersuchten Themen.

Das Lehrbuch nimmt die folgende Reihenfolge der Präsentation des Stoffes an: Transformatoren, Asynchronmaschinen, Synchronmaschinen, Kommutatormaschinen. Dieser Studienablauf erleichtert die Bewältigung des Studiums und entspricht am besten dem aktuellen Stand und den Trends in der Entwicklung der Elektrotechnik. Zusammen mit elektrischen Maschinen allgemeiner Zweck Das Lehrbuch behandelt einige Arten von Transformatoren und elektrischen Maschinen für besondere Zwecke und gibt Informationen dazu technisches Niveau moderne Serie elektrische Maschinen mit einer Beschreibung ihrer Konstruktionsmerkmale.

Das Hauptaugenmerk des Lehrbuchs liegt auf der Offenlegung des physikalischen Wesens der Phänomene und Prozesse, die den Betrieb der betrachteten Geräte bestimmen.

Die im Buch gewählte Art und Weise der Präsentation des Stoffes basiert auf langjähriger Erfahrung im Unterrichten des Faches „Elektrische Maschinen“.

EINFÜHRUNG

IN 1. Zweck elektrischer Maschinen

und Transformatoren

Elektrifizierung ist die flächendeckende Einführung elektrischer Energie in Industrie, Landwirtschaft, Verkehr und Alltag, die in leistungsstarken Kraftwerken erzeugt wird, die über Hochspannungsnetze an Energiesysteme angeschlossen sind.

Die Elektrifizierung erfolgt durch Geräte der Elektroindustrie. Der Hauptzweig dieser Branche ist Elektrotechnik, beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung von elektrischen Maschinen und Transformatoren.

Elektrische Maschine ist ein elektromechanisches Gerät, das die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie durchführt. Elektrische Energie wird in Kraftwerken durch elektrische Maschinen erzeugt – Generatoren, die mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Der Großteil des Stroms (bis zu 80 %) wird in Wärmekraftwerken erzeugt, wo bei der Verbrennung chemischer Brennstoffe (Kohle, Torf, Gas) Wasser erhitzt und in Hochdruckdampf umgewandelt wird. Letzteres wird serviert Dampfturbine, wo es sich ausdehnt und den Turbinenrotor in Rotation versetzt (Wärmeenergie in der Turbine wird in mechanische Energie umgewandelt). Die Drehung des Turbinenrotors wird auf die Welle des Generators (Turbogenerator) übertragen. Durch elektromagnetische Prozesse im Generator wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Der Prozess der Stromerzeugung in Kernkraftwerken ähnelt dem Prozess in einem Wärmekraftwerk, mit dem einzigen Unterschied, dass Kernbrennstoff anstelle von chemischem Brennstoff verwendet wird.

In Wasserkraftwerken läuft die Stromerzeugung wie folgt ab: Wasser, das von einem Damm auf ein bestimmtes Niveau angehoben wird, wird auf das Laufrad einer Wasserturbine geleitet; Die hierbei durch Rotation des Turbinenrades gewonnene mechanische Energie wird auf die Welle eines elektrischen Generators (Wasserstoffgenerator) übertragen, in dem mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird.

Beim Verbrauch elektrischer Energie wird diese in andere Energiearten (thermisch, mechanisch, chemisch) umgewandelt. Etwa 70 % des Stroms werden zum Antrieb von Maschinen, Mechanismen, Fahrzeugen verwendet, d.h. für

seine Umwandlung in mechanische Energie. Diese Transformation wird durch elektrische Maschinen durchgeführt - Elektromotoren.

Ein Elektromotor ist das Hauptelement des elektrischen Antriebs von Arbeitsmaschinen. Die gute Steuerbarkeit der elektrischen Energie und die Einfachheit ihrer Verteilung haben es ermöglicht, mehrmotorige elektrische Antriebe von Arbeitsmaschinen in der Industrie weit verbreitet einzusetzen, wenn einzelne Teile der Arbeitsmaschine von eigenen Motoren angetrieben werden. Ein Mehrmotorenantrieb vereinfacht den Mechanismus einer Arbeitsmaschine erheblich (die Anzahl der mechanischen Getriebe, die einzelne Teile der Maschine verbinden, wird reduziert) und schafft große Möglichkeiten zur Automatisierung verschiedener technologischer Prozesse. Elektromotoren werden im Transportwesen häufig als Fahrmotoren eingesetzt, die Radpaare von Elektrolokomotiven, Elektrozügen, Oberleitungsbussen usw. antreiben.

In jüngster Zeit hat der Einsatz von Elektromaschinen mit geringer Leistung – Mikromaschinen mit einer Leistung von Bruchteilen bis zu mehreren hundert Watt – deutlich zugenommen. Derartige elektrische Maschinen werden eingesetzt in Instrumentengeräte, Automatisierungsgeräte und Haushaltsgeräte - Staubsauger, Kühlschränke, Ventilatoren usw. Die Leistung dieser Motoren ist gering, das Design ist einfach und zuverlässig und sie werden in großen Mengen hergestellt.

In Kraftwerken erzeugte elektrische Energie muss an Orte ihres Verbrauchs transportiert werden, vor allem in große Industriezentren des Landes, die viele Hundert und manchmal Tausende Kilometer von leistungsstarken Kraftwerken entfernt sind. Doch die Übertragung von Elektrizität reicht nicht aus. Es muss auf viele verschiedene Verbraucher verteilt werden – Industrieunternehmen, Wohngebäude usw. Der Strom wird über große Entfernungen mit Hochspannung (bis zu 500 kV oder mehr) übertragen, was für minimale elektrische Verluste in Stromleitungen sorgt. Daher ist es bei der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie erforderlich, die Spannung immer wieder zu erhöhen und zu verringern. Dieser Vorgang wird mit sogenannten elektromagnetischen Geräten durchgeführt Transformer. Ein Transformator ist keine elektrische Maschine, da seine Arbeit nicht mit der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie oder umgekehrt zusammenhängt. Transformatoren wandeln lediglich die Spannung elektrischer Energie um. Darüber hinaus ist ein Transformator ein statisches Gerät und hat keine beweglichen Teile. Die in Transformatoren ablaufenden elektromagnetischen Vorgänge ähneln jedoch den Vorgängen beim Betrieb elektrischer Maschinen. Darüber hinaus zeichnen sich elektrische Maschinen und Transformatoren durch die gleiche Art elektromagnetischer und energetischer Prozesse aus, die bei der Wechselwirkung eines Magnetfelds und eines Leiters mit Strom entstehen. Aus diesen Gründen sind Transformatoren ein integraler Bestandteil elektrischer Maschinen.

Die theoretischen Grundlagen für den Betrieb elektrischer Maschinen wurden 1821 von M. Faraday gelegt, der die Möglichkeit der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie begründete und das erste Modell eines Elektromotors schuf. Die Arbeiten der Wissenschaftler D. Maxwell und E. H. Lenz spielten eine wichtige Rolle bei der Entwicklung elektrischer Maschinen. Die Idee der gegenseitigen Umwandlung elektrischer und mechanischer Energie wurde in den Arbeiten der herausragenden russischen Wissenschaftler B. S. Jacobi und M. O. Dolivo Dobrovolsky weiterentwickelt, die praxisgerechte Elektromotorkonstruktionen entwickelten und schufen.

Große Errungenschaften bei der Entwicklung von Transformatoren und ihrer praktischen Anwendung gehören dem bemerkenswerten russischen Erfinder P. N. Yablochkov. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden fast alle wichtigen Arten elektrischer Maschinen und Transformatoren geschaffen und die Grundlagen ihrer Theorie entwickelt.

IN Derzeit hat die heimische Elektrotechnik bedeutende Erfolge erzielt. Der weitere technische Fortschritt definiert als Hauptaufgabe die praktische Umsetzung elektrotechnischer Errungenschaften in die tatsächliche Entwicklung elektrischer Antriebsvorrichtungen für Industriegeräte und Haushaltsgeräte. Die Hauptaufgabe des wissenschaftlichen und technischen Fortschritts ist die technische Umrüstung und der Wiederaufbau der Produktion. Bei der Lösung dieses Problems spielt die Elektrifizierung eine wesentliche Rolle. Gleichzeitig ist es notwendig, den steigenden Umweltanforderungen an Stromquellen Rechnung zu tragen und neben den herkömmlichen auch umweltfreundliche (alternative) Methoden zur Stromerzeugung mit der Energie von Sonne, Wind, Meeresgezeiten und Thermalquellen.

IN Unter den Bedingungen der wissenschaftlichen und technischen Entwicklung kommt der Arbeit zur Verbesserung der Qualität hergestellter elektrischer Maschinen und Transformatoren große Bedeutung zu. Die Lösung dieses Problems ist ein wichtiges Mittel zur Entwicklung der internationalen wirtschaftlichen Zusammenarbeit. Relevante wissenschaftliche Einrichtungen

Und Industrieunternehmen in Russland arbeiten daran, neue Arten von elektrischen Maschinen und Transformatoren zu entwickeln, die modernen Anforderungen an die Qualität sowie die technischen und wirtschaftlichen Indikatoren der hergestellten Produkte entsprechen.

UM 2. Elektrische Maschinen - elektromechanisch

Energiewandler

Das Studium elektrischer Maschinen basiert auf Kenntnissen über das physikalische Wesen elektrischer und magnetischer Phänomene, die im Kurs „Theoretische Grundlagen der Elektrotechnik“ vermittelt werden. Deshalb vorher

Reis. UM 2. Regeln für die rechte Hand ( a) und „linke Hand“ (b)

Reis. B.1. Zu den Konzepten „Elementargenerator“ (a) und „Elementarmotor“ (b)

Bevor wir mit dem Studium des Kurses „Elektrische Maschinen“ beginnen, erinnern wir uns an die physikalische Bedeutung einiger Gesetze und Phänomene, die dem Funktionsprinzip elektrischer Maschinen zugrunde liegen, vor allem an das Gesetz der elektromagnetischen Induktion.

Beim Betrieb einer elektrischen Maschine im Generatorbetrieb wird mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt. Dieser Prozess basiert auf Gesetz der elektromagnetischen Induktion: Wirkt eine äußere Kraft F auf einen in einem Magnetfeld platzierten Leiter und bewegt ihn (Abb. B.1, a), beispielsweise von links nach rechts senkrecht zum Induktionsvektor B des Magnetfelds mit der Geschwindigkeit v, dann Im Leiter wird eine elektromotorische Kraft (EMF) induziert

wobei B die magnetische Induktion ist, T; l ist die aktive Länge des Leiters, d. h. die Länge seines im Magnetfeld befindlichen Teils, m; v ist die Bewegungsgeschwindigkeit des Leiters, m/s.

Um die Richtung der EMF zu bestimmen, sollten Sie die „rechte Hand“-Regel verwenden (Abb. B.2, a). Mit dieser Regel bestimmen wir die Richtung der EMF im Leiter („von uns“). Wenn das endet

Leiter sind an einen externen Widerstand R (Verbraucher) angeschlossen, dann unter dem Einfluss von EMF E

Im Leiter entsteht ein Strom gleicher Richtung. Also

Somit kann in diesem Fall ein Leiter in einem Magnetfeld betrachtet werden als elementarer Generator, bei dem mechanische Energie aufgewendet wird, um den Leiter mit Geschwindigkeit zu bewegen

stu v.

Durch die Wechselwirkung des Stroms I mit dem Magnetfeld entsteht auf den Leiter eine elektromagnetische Kraft

Die Richtung der Kraft Fem kann mit der „Linkshand“-Regel bestimmt werden (Abb. B.2, b). Im betrachteten Fall ist diese Kraft von rechts nach links gerichtet, also entgegengesetzt zur Bewegung des Leiters. Somit bremst im betrachteten Elementargenerator die Kraft Fem gegenüber der Antriebskraft F. Bei gleichmäßiger Bewegung des Leiters sind diese Kräfte gleich, d.h. F = Fem. Multiplizieren wir beide Seiten der Gleichheit mit der Geschwindigkeit des Leiters v, erhalten wir

Fv = Fem v.

Wenn wir den Wert Fem aus (B.2) in diesen Ausdruck einsetzen, erhalten wir

Die linke Seite der Gleichung (B.3) bestimmt den Wert der mechanischen Kraft, die für die Bewegung des Leiters in einem Magnetfeld aufgewendet wird; Die rechte Seite ist der Wert der elektrischen Leistung, die in einem geschlossenen Kreislauf durch den elektrischen Strom I entwickelt wird. Das Gleichheitszeichen zwischen diesen Teilen bestätigt einmal mehr, dass im Generator die durch eine äußere Kraft aufgewendete mechanische Leistung Fv in elektrische Leistung EI umgewandelt wird.

Wird auf den Leiter keine äußere Kraft F ausgeübt, sondern von einer elektrischen Quelle eine Spannung U angelegt, so hat der Strom I im Leiter die in Abb. B.1, b, dann wirkt nur die elektromagnetische Kraft Fem auf den Leiter. Unter dem Einfluss dieser Kraft beginnt sich der Leiter im Magnetfeld zu bewegen. In diesem Fall wird im Leiter eine EMK in entgegengesetzter Richtung zur Spannung U induziert. Somit wird ein Teil der am Leiter anliegenden Spannung U durch die in diesem Leiter induzierte EMK E ausgeglichen, und der andere Teil stellt die Spannung dar Tropfen im Leiter:

Aus dieser Gleichheit folgt, dass die vom Netz dem Leiter zugeführte elektrische Leistung (UI) teilweise in mechanische Leistung (Fem v) umgewandelt und teilweise zur Deckung elektrischer Verluste im Leiter (I 2 r) aufgewendet wird. Daher kann ein stromdurchflossener Leiter, der in einem Magnetfeld angeordnet ist, als betrachtet werden elementarer Elektromotor.

Die beschriebenen Phänomene lassen den Schluss zu:

a) Für jede elektrische Maschine ist ein elektrisch leitendes Medium (Leiter) und ein Magnetfeld erforderlich, die sich gegenseitig bewegen können.

b) wenn eine elektrische Maschine sowohl im Generatormodus als auch im Motormodus arbeitet, die Induktion einer EMK in einem Leiter, der ein Magnetfeld durchquert, und das Auftreten einer mechanischen Kraft, die auf einen Leiter wirkt, der sich in einem Magnetfeld befindet, wenn ein elektrischer Strom durch ihn fließt es werden gleichzeitig Strom beobachtet;

c) Die gegenseitige Umwandlung mechanischer und elektrischer Energie in einer elektrischen Maschine kann in jede Richtung erfolgen, d. h. dieselbe elektrische Maschine kann beides betreiben

V Motormodus und Generatormodus; diese Eigenschaft elektrischer Maschinen nennt man Reversibilität.

Der betrachtete „elementare“ elektrische Generator und Motor spiegeln nur das Prinzip wider, die Grundgesetze und Phänomene des elektrischen Stroms in ihnen zu nutzen. Was das Design angeht, basieren die meisten elektrischen Maschinen auf dem Prinzip der Rotationsbewegung ihres beweglichen Teils. Trotz der großen Vielfalt an Konstruktionen elektrischer Maschinen ist es durchaus möglich, sich eine verallgemeinerte Konstruktion einer elektrischen Maschine vorzustellen. Diese Konstruktion (Abb. B.3) besteht aus einem stationären Teil 1, Stator genannt, und einem rotierenden Teil 2, Rotor genannt. Der Rotor befindet sich

V Bohrung des Stators und durch einen Luftspalt von diesem getrennt. Einer der angegebenen Teile der Maschine ist mit erregenden Elementen ausgestattet

V Die Maschine hat ein Magnetfeld (z. B. einen Elektromagneten oder einen Permanentmagneten) und die andere hat eine Wicklung, auf die wir bedingt eingehen werden

wird als Arbeitswicklung der Maschine bezeichnet. Sowohl der stationäre Teil der Maschine (Stator) als auch der bewegliche Teil (Rotor) verfügen über Kerne aus weichmagnetischem Material mit geringem magnetischen Widerstand.

Wenn die elektrische Maschine im Generatorbetrieb arbeitet, dann

Reis. UM 3. Verallgemeinertes Konstruktionsdiagramm einer elektrischen Maschine

Wenn sich der Rotor dreht (unter der Wirkung des Antriebsmotors), wird in den Leitern der Arbeitswicklung eine EMF induziert und beim Anschließen eines Verbrauchers entsteht ein elektrischer Strom. Dabei wird die mechanische Energie des Antriebsmotors in elektrische Energie umgewandelt. Soll die Maschine als Elektromotor betrieben werden, wird die Arbeitswicklung der Maschine an das Netz angeschlossen. Dabei interagiert der in den Leitern dieser Wicklung entstehende Strom mit dem Magnetfeld und es entstehen elektromagnetische Kräfte auf den Rotor, die den Rotor in Drehung versetzen. In diesem Fall wird die vom Motor aus dem Netz verbrauchte elektrische Energie in mechanische Energie umgewandelt, die zur Aktivierung eines Mechanismus, einer Maschine usw. aufgewendet wird. Fahrzeug usw.

Es ist auch möglich, elektrische Maschinen zu konstruieren, bei denen sich die Arbeitswicklung am Stator und die das Magnetfeld anregenden Elemente am Rotor befinden. Das Funktionsprinzip der Maschine bleibt gleich.

Der Leistungsbereich elektrischer Maschinen ist sehr breit – von Bruchteilen eines Watts bis hin zu Hunderttausenden Kilowatt.

V.Z. Klassifizierung elektrischer Maschinen

Der Einsatz elektrischer Maschinen als Generatoren und Motoren ist ihr Hauptzweck, da damit ausschließlich der Zweck der gegenseitigen Umwandlung elektrischer und mechanischer Energien verbunden ist. Der Einsatz elektrischer Maschinen in verschiedenen Technologiezweigen kann jedoch auch anderen Zwecken dienen. Daher ist der Stromverbrauch oft mit der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom oder mit der Umwandlung von Industriefrequenzstrom in höherfrequenten Strom verbunden. Für diese Zwecke verwenden sie elektrische Maschinenwandler.

Elektrische Maschinen werden auch zur Leistungsverstärkung elektrischer Signale eingesetzt. Solche elektrischen Maschinen nennt man Verstärker für elektrische Maschinen. Als elektrische Maschinen werden elektrische Maschinen bezeichnet, die der Verbesserung des Leistungsfaktors von Stromverbrauchern dienen Synchronkompensatoren. Als elektrische Maschinen werden Wechselstrom-Spannungsregelungen bezeichnet Induktionsregler.

Der Einsatz von Mikromaschinen in Automatisierungsgeräten ist sehr vielfältig. Dabei werden elektrische Maschinen nicht nur als Motoren, sondern auch als eingesetzt Tachogeneratoren(um die Drehzahl in ein elektrisches Signal umzuwandeln), Selsyns,

rotierende Transformatoren (um elektrische Signale proportional zum Drehwinkel der Welle zu empfangen) usw. Aus den obigen Beispielen wird deutlich, wie vielfältig elektrische Maschinen für ihre Zwecke sind.

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