pdf.php@id=6159.pdf
.pdfА. И. Вольдек
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ
МАШИНЫ
Д опущ ено М инист ер ст вом высш его и сред
него сп ециального |
об |
|
р а з о в а н и я СССР в |
к а |
|
чест ве у ч еб н и к а |
д л я |
|
ст удент ов |
эл е к т р о |
|
т ехн и ч еск и х |
специ |
|
ал ьн ост ей |
высш их |
|
т ехн и ч ески х |
учебн ы х |
|
завед ен и й |
|
|
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
переработанное
и дополненное
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЭНЕРГИЯ» ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ 1974
6П2.12 В 71
УДК 621.313(075 8)
30307-168
В 136-74 051(01)-74
Рецензент — кафедра электрических машин МЭИ (зав. кафедрой чл.-корр. АН СССР Г. Н. Петров).
© Издательство «Энергия», 1974
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 членукорреспонденту 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 формулировку 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 э л е к т р и ч е с к и м и г е н е р а т о р а м и . 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 э л е к т р и ч е с к и м и д в и г а т е л я м и .
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 т р а н с ф о р м а т о р а м и . 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-н 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. кв-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 и н д у к т и в н ы м и . Возможно также создание электри ческих машин, в которых энергия преобразуется посредством элек трического поля ( е м к о с т н ы е м а ш и н ы ) , 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
>
Ц
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 н о м и н а л ь н о й . 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 (соз <р).
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
втабличке 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 ПО, 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
ВСССР 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 н в которой электрическая постоянная е0 и магнитная по стоянная Цо при нерационализованной форме уравнений электро магнитного поля равны единице.
Втабл. 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
всистеме 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 4л из наиболее общих закономерностей устраняется и переходит в соотношения, характеризуемые сфери ческой симметрией. При этом электрическая постоянная
е°= 4 ^ Г '107 Фарад на метр М *1')'
где с0 = 3 • 103 м/сек — скорость света в пустоте, и магнитная постоянная
|л0 = 4л • 1 0 7 генри на метр (гн/м).
Единицы измерений систем СИ и СГС
|
|
Сокращенное |
|
|
Наименование величины |
Единица |
обозначение |
Единица |
|
СИ |
рус |
|
СГС |
|
|
латинское |
|||
|
|
ское |
|
Длина |
|
|
метр |
Масса |
|
|
килограмм |
Время |
ток |
|
секунда |
Электрический |
|
ампер |
|
Механическая сила |
|
ньютон |
|
Работа и энергия |
|
джоуль |
|
Мощность |
|
|
ватт |
Электрический заряд |
э. д. с., |
кулон |
|
Электрическое |
напряжение, |
вольт |
|
разность электрических потенциалов |
_ |
||
Напряженность |
электрического поля |
||
Электрическая емкость |
|
фарада |
|
Электрическое сопротивление |
|
ом |
|
Магнитный поток |
|
вебер |
|
Магнитная индукция |
|
тесла |
|
Индуктивность |
и взаимная |
индук- |
генри |
тивность |
|
|
|
Намагничивающая сила |
|
ампер или |
|
|
|
|
ампер-виток |
Напряженность магнитного поля |
ампер на |
||
Момент инерции (динамический) |
метр |
||
— |
М
к г сек
а
н
дж
вт
к
в
е/м
Ф
ОМ
вб
тл,
вб}м2
гн
а, ав
а/м
кг - м *
Шсантиметр
ке |
грамм |
8 |
секунда |
А—
Nдина
Лэрг
\\Г —
С—
V—
У/т
Р—
О—
шъ максвелл
—гаусс
н___
Агильберт
А /т |
эрстед |
к § - т а |
— |
|
|
Таблица В~1 |
|
Сокращенное |
ннцы системы |
||
обозначение |
|||
|
|
СГС в единицах |
|
русское |
латинское |
системы СИ |
|
см |
сш |
10-2 м |
|
г |
е |
10 3 кг |
|
сек |
8 |
1 сек |
|
— |
— |
с^1 • 10 а |
|
дин |
буп |
10~5 к |
|
эрг |
ег§ |
10-7 дж |
|
___ |
|
10~7 вт |
|
___ |
— |
су1 • 10 к |
|
___ |
— |
с0 • 10-8 в |
|
|
|
г* ■10_6 в/м |
|
___ |
___ |
■10* ф |
|
___ |
___ |
с* • 10 *, |
ом |
МКС |
Мх |
10-8 вб |
|
гс |
о$ |
10“4 тл |
|
|
_ |
4 • 1 0 ® |
гн |
г б , |
съ |
~ 1 0 |
а |
|
|
4л |
|
э |
Ое |
4 - ■103 а/м |
|
|
|
4л |
|
г • си5 |
2 • см* |
10~г кг • мг |
П р и м е ч а н и е : с0 = 2.998 • 1С10 3 - 1СЮ—числоиое значение скорости света в пустоте в см/сек.
Введение