Электрические машины и электропривод. Введение

1. Дисциплина: «Электрические машины и электропривод»

Лектор: профессор Харламов Виктор Васильевич
Кафедра: «Электрические машины и
общая электротехника»
ауд. № 1-103

2.

Список литературы
Методические указания к лабораторным работам:
«Электрические машины». В.Д. Авилов и др. 2007 г.
Часть 1 - «Трансформаторы».
Часть 2 - «Машины постоянного тока».
Часть 3 - «Асинхронные машины».
Часть 4 - «Синхронные машины».
Методические указания к курсовой работе:
В.Д. Авилов, В.П. Беляев. «Расчет основных параметров
трансформатора распределительных сетей». 2002 г.
Методические указания к самостоятельной работе:
В.Д. Авилов, В.П. Беляев. «Основы электропривода». 1998 г.
Учебники:
1. «Электрические машины». А.И. Вольдек. 1978 г, 1974 г, 1966 г.
2. «Электрические машины». А.И. Вольдек, В.В. Попов. 2008 г.
3. «Электрические машины» М.П. Костенко и Л.М. Пиотровский.
1972 г, 1964 г.
4. «Общий курс электропривода» М.Г. Чиликин, А.С. Сандлер, 1984 г.
5. «Расчет трансформаторов». П.М. Тихомиров, 1986 г.

3.

Введение
Электрическая машина (ЭМ) - электромеханическое устройство,
осуществляющее взаимное преобразование механической и
электрической энергий.
Генератор - электрическая машина, преобразующая механическую
энергию в электрическую.
Электродвигатель - электрическая машина, преобразующая
электрическую энергию в механическую.

4.

Краткая историческая справка
1820 г. – Ж. Био и Ф. Савар сформулировали закон действия тока
на магнит
1821 г. – М. Фарадей создал первый электрический двигатель
1831 г. – М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции
1832 г. – Э. Ленц сформулировал принцип обратимости
электрических машин
1834 г. – В.С. Якоби – дальнейшее развитие идеи взаимного
преобразования энергии
1876 г. – П.Н. Яблочков – первый реальный трансформатор
1889 г. – М.О. Доливо-Добровольский – первый трехфазный
асинхронный двигатель

5.

Принцип действия элементарного генератора
По закону электромагнитной
индукции в проводнике
наводится ЭДС
N
E
F
Fэм
E = B·l·v
I
Электромагнитная сила
Fэм=B·l·I
B
При равномерном
движении
S
F = Fэм
тогда
R
F·v = Fэм·v
или F·v = B·l·I·v
Т. о. в генераторе механическая мощность,
затрачиваемая внешней силой, преобразуется
в электрическую
F·v = E·I

6.

Принцип действия элементарного двигателя
Электромагнитная сила
Fэм=B·l·I
В проводнике
индуцируется ЭДС
N
I
Fэм
E = B·l·v
E
Уравнение напряжений
B
U = E + I· r
S
или U·I = E·I + I 2· r
+
U
Электрическая мощность, поступающая в
проводник, преобразуется в механическую
мощность и частично расходуется на
покрытие электрических потерь в проводнике
Подставим E = B·l·v
U·I = B·l·v·I + I 2·r
U·I = Fэм·v + I 2·r

7.

Выводы:
1) Для любой электрической машины обязательно наличие
электропроводящей среды (проводников) и магнитного поля,
имеющих возможность взаимного перемещения.
2) При работе электрической машины как в режиме генератора,
так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются
индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное
поле, и возникновение силы, действующей на проводник,
находящийся в магнитном поле, при протекании по нему
электрического тока.
3) Взаимное преобразование механической и электрической
энергий в электрической машине может происходить в любом
направлении, т. е. одно и та же электрическая машина может
работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора.
Это свойство электрических машин называют обратимостью.

8. Классификация электрических машин

Электрические машины
Бесколлекторные
Асинхронные
С короткозамкнутым
ротором
С фазным
ротором
Синхронные
Коллекторные
Универсальные
Постоянного тока
Трехфазные
С обмоткой
возбуждения
Однофазные
С постоянными магнитами
Конденсаторные
Реактивные
Гистерезисные
Бесконтактные

9.

ТРАНСФОРМАТОРЫ
Трансформатор
- статическое электромагнитное устройство,
имеющее две или более индуктивно-связанные обмотки и предназначенное
для
преобразования
посредством
явления
электромагнитной индукции одной (первичной) системы переменного
тока в другую (вторичную) систему переменного тока.
Классификация силовых трансформаторов общего назначения
По числу фаз: однофазные и трехфазные.
По конструкции магнитопровода: - стержневые,
- броневые,
- бронестержневые,
- торроидальные.
По способу охлаждения: сухие и масляные.
По числу обмоток: - двухобмоточные,
- многообмоточные,
- автотрансформаторы.

10.

Трансформаторы специального назначения:
- печные и сварочные трансформаторы;
- трансформаторы устройств автоматики ( пик-трансформаторы, импульсные,
умножители частоты и т. п.);
- испытательные и измерительные трансформаторы.

11.

Принцип действия трансформатора
I1
А a
I2
Ф
U1 w1
w2 U2
zн
zн
X
U1
I1
I 1w 1
Ф
E2
I2
x
U2
E1
Основной магнитный поток Ф индуцирует в первичной обмотке ЭДС
самоиндукции
e1 w 1
во вторичной обмотке
dΦ
dt
и ЭДС взаимоиндукции
e2 w 2
d
dt

12.

Принцип действия трансформатора
Если
U2 > U1 – повышающий трансформатор;
если
U1 > U2 – понижающий трансформатор.
Обмотка, подключенная к сети с более высоким напряжением,
называется обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотка, соединенная
с сетью меньшего напряжения - обмоткой низшего напряжения (НН).
Коэффициентом трансформации называется отношение
ЭДС обмотки высшего напряжения к ЭДС обмотки низшего
напряжения
E1 w 1
k
E2 w 2

13.

Уравнения напряжений трансформатора
I1
I2
Ф
U1
Ф 1
Ф 2
U2
zн
Переменный магнитный поток Ф наводит в обмотках ЭДС:
dΦ
e1 w 1
dt
При синусоидальном магнитном потоке
т.к.
dΦ
e2 w 2
dt
Ф Фmax sin t
cos t
e1 w1 Фmax
cos t sin( t ) , то
e1 w1 Фmax sin( t )
2
2
e2 отстают от
магнитного потока Ф на угол /2
ЭДС
e1
и
e2 w 2 Фmax sin( t
2
)

14.

Уравнения напряжений трансформатора
Максимальное значение ЭДС
Подставив
E1max w 1 Фmax
2 f , получим действующее значение ЭДС:
E1max
2
E1
w1 f Фmax
2
2
E1 4,44 w1 f Фmax
и
E2 4,44 w 2 f Фmax
Потоки рассеяния Ф 1 и Ф 2 сцеплены только с витками собственной
обмотки и индуцируют в них ЭДС:
di1
e 1 L 1
dt
Т. к. потоки рассеяния
Ф 1
и
и
Ф 2
e 2
di2
L 2
dt
замыкаются по воздуху, маслу, меди с
постоянной магнитной проницаемостью, то можно считать, что L 1 и L 2 - const
Тогда действующие значения ЭДС рассеяния
E 1 j I 1x1
и
E 2 j I 2 x2

15.

Уравнения напряжений трансформатора
Для первичной цепи трансформатора по второму закону Кирхгофа
U 1 E 1 E 1 I 1 r1
через j I x получим уравнение напряжений для
Выразив E
1
1 1
первичной цепи трансформатора
U 1 ( E 1 ) j I 1 x1 I 1 r1
Напряжение U1, подведенное к трансформатору, уравновешивается
ЭДС E1, наведенной основным магнитным потоком, и падением
напряжения от тока
первичной обмотки.
I1
на индуктивном и активном сопротивлениях
E1 I1 x1 и I1 r1 поэтому с некоторым приближением
( E )
можно считать, что U
Обычно
1
1

16.

Уравнения напряжений трансформатора
Для вторичной цепи трансформатора, замкнутой на нагрузку zн, по
второму закону Кирхгофа получим:
E 2 E 2 I 2 r2 I 2 zн
Падение напряжения на нагрузке I 2 zн представляет собой напряжение
I z
на выводах вторичной обмотки трансформатора: U
2
2
н
через j I x и приведем уравнение к виду,
Выразим E
2
2 2
аналогичному уравнению для первичной цепи.
Получим уравнение напряжений для вторичной цепи трансформатора:
U 2 E 2 j I 2 x2 I 2 r2
Напряжение U2 на выходе нагруженного трансформатора,
отличается от ЭДС E2, наведенной основным магнитным потоком, на
значение падения напряжения от тока I2 на индуктивном и активном
сопротивлениях вторичной обмотки.

17.

Уравнения магнитодвижущих сил и токов
В режиме холостого хода
I 2 0
и
I 1 I 0 , где I 0
В этом режиме основной магнитный поток
ется лишь МДС первичной обмотки
Ф
созда-
F1 I 0 w1 :
- ток холостого хода
Фmax
2 I 0 w1
Rм
Если трансформатор работает под нагрузкой, основной магнитный поток
Ф создается совместным действием МДС первичной F 1 I 1 w 1 и вторичной
обмоток F 2 I 2 w 2 :
2 ( I 1 w 1 I 2 w 2 )
Фmax
Rм
С другой стороны
Фmax
Принимая во внимание, что
E1
.
4,44 f w1
U 1 ( E 1 ) получим Фmax
U1
.
4,44 f w1
Отсюда следует, что основной магнитный поток не зависит от нагрузки
трансформатора

18.

Уравнения магнитодвижущих сил и токов
Приравняв выражения для магнитного потока в режиме холостого хода и
под нагрузкой получим уравнение МДС трансформатора:
I 0 w1 I 1 w1 I 2 w 2
Сумма МДС первичной I 1 w 1 и вторичной I 2 w 2 обмоток в режиме
работы трансформатора под нагрузкой равна МДС холостого хода
_______,
I 0 w1 необходимой для наведения в магнитопроводе основного
магнитного потока
Фmax.
Такое взаимодействие МДС I 1 w 1 и I 2 w 2 объясняется их встречным
направлением, т.е. если МДС I 1 w 1 оказывает на магнитопровод намагничивающее воздействие, то МДС I w стремится размагнитить его.
2
2
При этом основной магнитной поток
Фmax в процессе работы
трансформатора остается практически неизменным, т. к. во всем
диапазоне изменений тока нагрузки МДС первичной обмотки
I 1 w1.
оказывается больше МДС вторичной обмотки I w
на величину МДС
2
2
холостого хода I w .
0
1

19.

Уравнения магнитодвижущих сил и токов
Разделив уравнение МДС на число витков w1, получим:
I 0 I 1 I 2 w 2
Уравнение токов
1 I 0 ( I 2 )
или
I
w1
трансформатора
I 2 I 2 w 2 - ток вторичной обмотки, приведенный к числу витков
w 1 первичной обмотки
I 2 - это такой ток, который в обмотке с числом витков w1 создает
такую же МДС, что и ток I 2 во вторичной обмотке с числом витков w2 т. е.:
I 2 w1 I 2 w 2.
Т.е.
Ток первичной обмотки I 1 представляет собой сумму двух
составляющих, одна из которых I 0 создает
МДС холостого хода
______,
I 0 w1 необходимую для наведения в магнитопроводе основного
I 2 w 1 , компенсирующую размагничивающее действие МДС вторичной обмотки I 2 w 2 ,
магнитного потока
Фmax, а другая I 2 создает МДС

20.

Уравнения магнитодвижущих сил и токов
Основной магнитный поток Ф в трансформаторе – переменный, поэтому
магнитопровод трансформатора систематически перемагничивается.
И, следовательно, в нем имеют место магнитные потери от
гистерезиса и вихревых токов
Мощность магнитных потерь эквивалентна активной составляющей
тока холостого хода
Т. о. ток холостого хода имеет две составляющих:
I 0 I 02а I 02р
I0
I 0р
Е2
Е1
I 0а
Ф
I 0а
- активная составляющая обусловленная
магнитными потерями;
I 0р
- реактивная составляющая – намагничивающий ток;
- угол магнитных потерь.

21.

Уравнения магнитодвижущих сил и токов
Ток холостого хода I в силовых трансформатора большой и средней
0
мощности составляет 2 -10 % от номинального тока I
1н
Поэтому при нагрузках, близких к номинальной, пренебрегая током
холостого хода I , получим:
0
I1 w 2
I 2 w1
Токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны
числам витков в обмотках

22.

Приведение параметров вторичной обмотки
трансформатора
Для устранения затруднений в расчетах и построении векторных
диаграмм, обусловленных разницей в параметрах первичной и вторичной
обмоток (при kтр>>1), все величины, характеризующие вторичную цепь
трансформатора, пересчитывают на число витков первичной
обмотки w1.
Т.о. вместо реального трансформатора с kтр=w1/w2 рассматривают
эквивалентный
трансформатор
с
kтр=w1/w'2, где w'2=w1. Такой
трансформатор называют приведенным.
При этом все мощности и фазовые сдвиги во вторичной обмотке
должны остаться такими же, как и в реальном трансформаторе:
E2 I 2 E2 I 2 .
w2
w
Учитывая, что I 2 I 2
, получим E 2 E 2 1 ,
w1
w2
Полная мощность U2 I 2 U2 I 2 .
w1
U
U
,
Отсюда
2
2
w2
Электромагнитная мощность

23.

Приведение параметров вторичной обмотки
трансформатора
Активная мощность I 22 r2 ( I 2 )2 r2 .
w1 2
) ,
Отсюда r2 r2 (
w2
2
2
Реактивная мощность I 2 x2 ( I 2 ) x2 .
w1 2
) ,
Отсюда x 2 x 2 (
w2
Аналогично получим приведенное значение полного
сопротивления: I 2 z ( I )2 z .
2
2
2
2
Отсюда
w1 2
z2 z2 ( ) ,
w2
Уравнения напряжений и токов для приведенного трансформатора:
U 1 ( E 1 ) j I 1 x1 I 1 r1
U 2 E 2 j I 2 x 2 I 2 r2
I I ( I )
1 0
2
Эти уравнения устанавливают аналитическую связь между параметрами
трансформатора во всем диапазоне
нагрузок от режима холостого хода до
номинальной.