Электрические машины и аппараты

(конспект лекций, часть I Трансформаторы и асинхронные электрические машины)

Без электрической энергии нельзя представить современное промышленное и сельскохозяйственное производство, быт и в целом жизнь современного общества. Широкое применение электрической энергии, по сравнению с другими видами энергии, обусловлено возможностями ее производства, распределения и передачи на большие расстояния, управляемостью, а так же высоким КПД преобразования в другие виды энергии.

Почти вся электроэнергия вырабатывается синхронными электрическими машинами – генераторами, установленными на тепловых, атомных и гидроэлектростанциях. Большая часть (60-70%) электрической энергии после распределения преобразуется в механическую также электрическими машинами – двигателями. Чтобы распределять и использовать выработанную энергию необходимо на каждую единицу установленной мощности генератора 5 -7 единиц мощностей трансформаторов. Необходимо, кроме того, различного рода электрические аппараты – коммутационные, управления, защиты, в которых в качестве привода используются также электромеханические преобразователи – электромагниты.

Самые крупные электрические машины, установленные на электростанциях имеют мощность в одной единице до 500 -1200 МВТ., а самые маленькие – до нескольких милливатт (0,003 Вт). Самые быстроходные имеют чистоту вращения до 200 тыс. об/мин, а тихоходные до нескольких оборотов в сутки. КПД электрических машин достигает 98,5%

История создания электрических машин начинается с открытия английского физика М. Фарадея 1831 г. закона электромагнитной индукции. Первое практическое применение электрической машины было в 1833 г. Русский ученый Б.С. Якоби создал электродвигатель постоянного тока мощностью 1 кВт и применил его для привода гребного винта катера на Неве, движущегося против течения.

В 1860 -1870 были созданы первые генераторы постоянного тока, а в 1873 г. машины переменного тока.

В 1884 году братья Гопкинсоны предложили трансформатор с замкнутым сердечником.

В 1888 г. М.О. Доливо – Добровольекий предложил систему трехфазного тока, а в 1889 году создал трехфазный асинхронный электродвигатель. В том же году под его руководством была создана система электропередача напряжением 15 кВ длиной 175 км. Тогда же появился синхронный генератор.

В конце XIX века идет быстрое наращивание мощностей электростанций, качественное улучшение электрооборудования, интенсификация процессов производства и передачи электроэнергии, расширение сфер использования электрической энергии. Особенно расширяются области использования электропривода на основе полупроводниковой техники и постоянных магнитов с высокими энергетическими показателями.

Машины постоянного тока используется плавным образом в качестве двигателей из-за благоприятных характеристик и высокой перегрузочной способности в системах регулируемого электропривода.

Основное применение асинхронные машины нашли, как двигатели в системах нерегулируемого и регулируемого электропривода, при питание через преобразователь частоты. В качестве генераторов не большой мощности применяются на ветроустановках и микро ГЭС.

Синхронные генераторы сравнительно не большой мощности - от десятков до нескольких тысяч кВт – применяются в системах автономного электроснабжения.

Синхронные двигатели мощностью более 100 – 200 кВт успешно конкурируют с асинхронными двигателями при частотах вращения от 250 об/мин.

Научно – технический прогресс в электромашиностроении во многом определяет уровень развития других отраслей науки и техники.

Несмотря на большое разнообразие электрических машин их можно конструктивно свести к следующей модели (Рис.1)

Электрическая машина представляет собой электромагнитную систему, состоящую из ферромагнитного сердечника на статоре и роторе и нескольких обмоток образующих статор и ротор. Во вращающихся электрических машинах различные обмотки перемещаются друг относительно друга совместно с частями сердечника, на которых они размещены; в трансформаторах же сердечники и обмотки взаимно неподвижны. Неподвижный элемент электрической машины называется статором, а подвижный – ротором.