Электрические машины. Кацман М. М. Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации

] Учебное издание. Учебник для учащихся электротехнических специальностей техникумов. Издание второе, переработанной и дополненное.
(Москва: Издательство «Высшая школа», 1990)
Скан: AAW, обработка, формат Djv: DNS, 2012

• КРАТКОЕ ОГЛАВЛЕНИЕ:
  Предисловие (3).
  Введение (4).
  Раздел 1. ТРАНСФОРМАТОРЫ (13).
  Глава 1. Рабочий процесс трансформатора (15).
  Глава 2. Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов (61).
  Глава 3. Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы (71).
  Глава 4. Переходные процессы в трансформаторах (76).
  Глава 5. Трансформаторные устройства специального назначения (84).
  Раздел 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ БЕСКОЛЛЕКТОРНЫХ МАШИН (95).
  Глава 6. Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока (97).
  Глава 7. Принцип выполнения обмоток статора (102).
  Глава 8. Основные типы обмоток статора (114).
  Глава 9. Магнитодвижущая сила обмоток статора (125).
  Раздел 3. АСИНХРОННЫЕ МАШИНЫ (135).
  Глава 10. Режимы работы и устройство асинхронной машины (137).
  Глава 11. Магнитная цепь асинхронной машины (146).
  Глава 12. Рабочий процесс трехфазного асинхронного двигателя (154).
  Глава 13. Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя (162).
  Глава 14. Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей (179).
  Глава 15. Пуск и регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей (193).
  Глава 16. Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели (208).
  Глава 17. Асинхронные машины специального назначения (218).
  Глава 18. Основные типы серийно выпускаемых асинхронных двигателей (230).
  Раздел 4. СИНХРОННЫЕ МАШИНЫ (237).
  Глава 19. Способы возбуждения и устройство синхронных машин (239).
  Глава 20. Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов (249).
  Глава 21. Параллельная работа синхронных генераторов (270).
  Глава 22. Синхронный двигатель и синхронный компенсатор (289).
  Глава 23. Синхронные машины специального назначения (302).
  Раздел 5. КОЛЛЕКТОРНЫЕ МАШИНЫ (319).
  Глава 24. Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока (321).
  Глава 25. Обмотки якоря машин постоянного тока (329).
  Глава 26. Магнитное поле машины постоянного тока (348).
  Глава 27. Коммутация в машинах постоянного тока (361).
  Глава 28. Коллекторные генераторы постоянного тока (337).
  Глава 29. Коллекторные двигатели (387).
  Глава 30. Машины постоянного тока специального назначения (414).
  Глава 31. Охлаждение электрических машин (427).
  Задачи для самостоятельного решения (444).
  Список литературы (453).
  Предметный указатель (451).

Аннотация издательства: В книге рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как общего, так и специального назначения, получивших распространение в различных отраслях техники. 2-е издание (1-е - 1983 г.) дополнено новым материалом, соответствующим современным подходам к теории и практике электромашиностроения.

Кацман М. М.
Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации

Библиотека
СЕВМАШВТУЗА

Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования

Москва
2006

Рецензенты : проф. С.Н. Стоменский (кафедра вычислительной техники Чувашского государственного университета); С. Ц. Малиновская (Московский радиотехнический колледж).

Кацман М. М. Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации : Учеб. пособие для студ. учреждений сред. проф. образования / Марк Михайлович Кацман. - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 368 с.

В учебном пособии рассмотрены принцип работы, устройство, основы теории, характеристики различных видов силовых электрических машин и трансформаторов малой мощности (микромашин), исполнительных двигателей, информационных электрических машин, получивших наибольшее применение в приборных устройствах и средствах автоматизации в общепромышленных и специальных областях техники.

Для студентов образовательных учреждении среднего профессионвльного образования, обучающихся по специальностям «Приборостроение» и «Автоматизация и управление».

Будет полезно студентам высших учебных заведений и специалистам, занимающимся вопросами приборостроения и автоматизации производственных процессов.

Редактор Т. Ф. Мельникова
Технический редактор Н. И. Горбачева
Компьютерная верстка: Д. В. Федотов
Корректоры В. А. Жилкина, Г. Н. Петрова

© Кацман М.М., 2006
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2006
© Оформление. Издательский центр «Академия», 2006

Предисловие
Введение
B.I. Назначение электрических машин и трансформаторов
В.2. Классификация электрических машин

ЧАСТЬ ПЕРВАЯ. ТРАНСФОРМАТОРЫ И СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

РАЗДЕЛ 1 ТРАНСФОРМАТОРЫ

Глава 1. Силовые трансформаторы
1.1. Назначение и принцип действия силового трансформатора 9
1.2. Устройство трансформаторов 12
1.3. Основные зависимости и соотношения в трансформаторах 14
1.4. Потери и КПД трансформатора 16
1.5. Опыты холостого хода и короткого замыкания трансформаторов
1.6. Изменение вторичного напряжения трансформатора 20
1.7. Трехфазные и многообмоточные трансформаторы 21
1.8. Трансформаторы для выпрямительных устройств 24
1.9. Автотрансформаторы

Глава 2. Трансформаторные устройства со специальными свойствами
2.1. Пик-трансформаторы 31
2.2. Импульсные трансформаторы 33
2.3. Умножители частоты 35
2.4. Стабилизаторы напряжения 39
2.5. Измерительные трансформаторы напряжения и тока

РАЗДЕЛ II СИЛОВЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ МАЛОЙ МОЩНОСТИ

Глава 3. Трехфазные асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором
3.1. Принцип действия трехфазного асинхронного двигателя
3.2. Устройство трехфазных асинхронных двигателей
3.3. Основы теории трехфазного асинхронного двигателя
3.4. Потери и коэффициент полезного действия асинхронного двигателя
3.5. Электромагнитный момент асинхронного двигателя
3.6. Влияние напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора на механическую характеристику
3.7. Рабочие характеристики трехфазных асинхронных двигателей
3.8. Пусковые свойства трехфазных асинхронных двигателей
3.9. Регулирование частоты вращения трехфазных асинхронных двигателей
3.9.1. Регулирование частоты вращения изменением активного сопротивления в цепи ротора
3.9.2. Регулирование частоты вращения изменением частоты питающего напряжения
3.9.3. Регулирование частоты вращения изменением подводимого напряжения
3.9.4. Регулирование частоты вращения изменением числа полюсов обмотки статора
3.9.5. Импульсное регулирование частоты вращения
3.10. Линейные асинхронные двигатели
3.11. Управление пуском трехфазного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором посредством нереверсивного контактора

Глава 4. Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели
4.1. Принцип действия однофазного асинхронного двигателя
4.2. Механические характеристики однофазного асинхронного двигателя
4.3. Пуск однофазного асинхронного двигателя
4.4. Конденсаторные асинхронные двигатели
4.5. Включение трехфазного асинхронного двигателя в однофазную сеть
4.6. Однофазные асинхронные двигатели с экранированными полюсами
4.7. Асинхронные машины с заторможенным фазным ротором

Глава 5. Синхронные машины
5.1. Обшие сведения о синхронных машинах
5.2. Синхронные генераторы
5.2.1. Принцип действия синхронного генератора
5.2.2. Реакция якоря в синхронном генераторе
5.2.3. Уравнения напряжений синхронного генератора
5.2.4. Характеристики синхронного генератора
5.2.5. Синхронные генераторы, возбуждаемые постоянными магнитами
5.3. Синхронные двигатели с электромагнитным возбуждением
5.3.1. Принцип действия и устройство синхронного однополюсного двигателя с электромагнитным возбуждением
5.3.2. Пуск синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением
5.3.3. Потери, КПД и электромагнитный момент синхронного двигателя с электромагнитным возбуждением
5.4. Синхронные двигатели с постоянными магнитами
5.5. Тихоходные многополюсные синхронные двигатели
5.5.1. Тихоходные однофазные синхронные двигатели типов ДСО32 и ДСОР32
5.5.2. Тихоходные конденсаторные синхронные двигатели типов ДСК и ДСРК
5.6. Синхронные реактивные двигатели
5.7. Синхронные гистерезисные двигатели
5.8. Реактивно-гистерезисные двигатели с экранированными полюсами
5.9. Индукторные синхронные машины
5.9.1. Индукторные синхронные генераторы
5.9.2. Индукторные синхронные двигатели
5.10. Синхронные двигатели с электромеханической редукцией скорости
5.10.1. Синхронные двигатели с катящимся ротором (ДКР)
5.10.2. Волновые синхронные двигатели

Глава 6. Коллекторные машины
6.1. Принцип действия коллекторных машин постоянного тока
6.2. Устройство коллекторной машины постоянного тока
6.3. Электродвижущая сила и электромагнитный момент коллекторной машины постоянного тока
6.4. Магнитное поле машины постоянного тока. Реакция якоря
6.5. Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока
6.6. Способы улучшения коммутации и подавления помех радиоприему
6.7. Потери и КПД коллекторных машин постоянного тока
6.8. Коллекторные двигатели постоянного тока
6.8.1. Основные зависимости и соотношения
6.8.2. Двигатели независимого и параллельного возбуждения
6.8.3. Регулирование частоты вращения двигателей независимого и параллельного возбуждения
6.8.4. Двигатели последовательного возбуждения
6.9. Универсальные коллекторные двигатели
6.10. Стабилизация частоты вращения двигателей постоянного тока
6.11. Генераторы постоянного тока
6.11.1. Генератор независимого возбуждения
6.11.2. Генератор параллельного возбуждения

Глава 7. Электрические машины специальных конструкций и свойств
7.1. Гироскопические двигатели
7.1.1. Назначение и особые свойства гироскопических двигателей
7.1.2. Конструкция гироскопических двигателей
7.2. Электромашинные преобразователи
7.2.1. Электромашинные преобразователи двигатель-генераторного типа
7.2.2. Одноякорные преобразователи
7.3. Электромашинные усилители мощности
7.3.1. Основные понятия
7.3.2. Электромашинные усилители поперечного поля

Глава 8. Вентильные двигатели постоянного тока
8.1. Основные понятия
8.2. Процесс работы вентильного двигателя
8.3. Вентильный двигатель постоянного тока малой мощности

Глава 9. Исполнительные двигатели постоянного тока
9.1. Требования к исполнительным двигателям и схемы управления исполнительными двигателями постоянного тока
9.2. Якорное управление исполнительными двигателями постоянного тока
9.3. Полюсное управление исполнительными двигателями постоянного тока
9.4. Электромеханическая постоянная времени исполнительных двигателей постоянного тока
9.5. Импульсное управление исполнительным двигателем постоянного тока
9.6. Конструкции исполнительных двигателей постоянного тока
9.6.1. Исполнительный двигатель постоянного тока с полым якорем
9.6.2. Двигатели постоянного тока с печатными обмотками якоря
9.6.3. Двигатель постоянного тока с гладким (беспазовым) якорем

Глава 10. Асинхронные исполнительные двигатели
10.1. Способы управления асинхронными исполнительными двигателями
10.2. Самоход в исполнительных асинхронных двигателях и пути его устранения
10.3. Устройство исполнительного асинхронного двигателя с полым немагнитным ротором
10.4. Характеристики исполнительного асинхронного двигателя с полым немагнитным ротором
10.5. Исполнительный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором
10.6. Исполнительный асинхронный двигатель с полым ферромагнитным ротором
10.7. Электромеханическая постоянная времени исполнительных асинхронных двигателей
10.8. Моментные исполнительные двигатели

Глава 11. Исполнительные шаговые двигатели
11.1. Основные понятия
11.2. Шаговые двигатели с пассивным ротором
11.3. Шаговые двигатели с активным ротором
11.4. Индукторные шаговые двигатели
11.5. Основные параметры и режимы работы шаговых двигателей

Глава 12. Примеры применения исполнительных двигателей
12.1. Примеры применения исполнительных асинхронных двигателей и двигателей постоянного тока
12.2. Пример применения исполнительного шагового двигателя
12.3. Электродвигатели для привода считывающих устройств
12.3.1. Лентопротяжные механизмы
12.3.2. Электропривод устройств для считывания информации с оптических дисков

РАЗДЕЛ IV ИНФОРМАЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Глава 13. Тахогенераторы
13.1. Назначение тахогенераторов и предъявляемые к ним требования
13.2. Тахогенераторы переменного тока
13.3. Тахогенераторы постоянного тока
13.4. Примеры применения тахогенераторов в устройствах промышленной автоматики
13.4.1. Применение тахогенераторов в качестве датчиков частоты вращения
13.4.2. Применение тахогенератора в качестве расходомера
13.4.3. Применение тахогенератора в электроприводе с отрицательной обратной связью по скорости

Глава 14. Электрические машины синхронной связи
14.1. Основные понятия
14.2. Индикаторная система дистанционной передачи угла
14.3. Синхронизирующие моменты сельсинов в индикаторной системе
14.4. Трансформаторная система дистанционной передачи угла
14.5. Конструкция сельсинов
14.6. Дифференциальный сельсин
14.7. Магнесины
14.8. Примеры применения сельсинов в устройствах промышленной автоматики
14 8 1 Регистрация величины подачи инструмента в буровых установках
14.8.2. Регулирование соотношения «топливо - воздух» в металлургической печи

Глава 15. Вращающиеся трансформаторы
15.1. Назначение и устройство вращающихся трансформаторов
15.2. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор
15.2.1. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор в синусном режиме
15.2.2. Синусно-косинусный врашаюшийся трансформатор в синусно-косинусном режиме
15.2.3. Синусно-косинусный вращающийся трансформатор в режиме масштабирования
15.2.4. Синусно-косинусный врашаюшийся трансформатор в режиме фазовращателя
15.3. Линейный врашаюшийся трансформатор
15.4. Трансформаторная система дистанционной передачи угла на вращающихся трансформаторах

Список литературы
Предметный указатель

Предисловие

В условиях роста технического уровня производств и внедрения комплексной автоматизации технологических процессов особую актуальность приобретают вопросы качественной подготовки специалистов, непосредственно занятых в сфере эксплуатации и проектирования систем автоматики. В обширном комплексе приборных устройств и автоматики ведущее место занимают электрические машины и трансформаторы малой мощности (микромашины).

В книге изложены принцип действия, устройство, особенности эксплуатации и конструкции электрических машин и трансформаторов малой мощности, получивших широкое применение для привода механизмов и устройств, используемых в приборных устройствах и средствах автоматизации. Рассмотрены электромашинные элементы, составляющие основу современных автоматических систем: исполнительные двигатели постоянного и переменного тока, электромашинные усилители, вращающиеся преобразователи, шаговые двигатели, информационные электрические машины (тахогенераторы, сельсины, магнесины, вращающиеся трансформаторы), электродвигатели гироскопических устройств.

Цель данной книги - научить будущего специалиста обоснованно и правильно применять силовые электродвигатели и электромашинные элементы автоматики в приборных устройствах и средствах автоматизации.

Учитывая специфику обучения студентов в техникумах и колледжах, автор при изложении материала книги уделил особое внимание рассмотрению физической сущности явлений и процессов, поясняющих работу рассматриваемых устройств. Принятая в книге методика изложения курса основана на многолетнем опыте преподавания в образовательных учреждениях среднего профессионального образования.

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Назначение электрических машин и трансформаторов

Технический уровень любого современного производственного предприятия оценивается в первую очередь состоянием автоматизации и комплексной механизации основных технологических процессов. При этом все большее значение приобретает автоматизация не только физического, но и умственного труда.

Автоматизированные системы включают большое разнообразие элементов, отличающихся не только функциональным назначением, но принципом действия. Среди множества элементов, составляющих автоматизированные комплексы, определенное место занимают электромашинные элементы. Принцип работы и конструкция этих элементов либо практически не отличаются от электрических машин (являются электродвигателями или электрогенераторами), либо весьма близки к ним по конструкции и протекающим в них электромагнитным процессам.

Электрическая машина - это электрическое устройство, осуществляющее взаимное преобразование электрической и механической энергий.

Если проводник перемещать в магнитном поле так. чтобы он пересекал магнитные силовые линии, то в этом проводнике будет индуцироваться электродвижущая сила (ЭДС). Любая электрическая машина состоит из неподвижной части и подвижной (вращающейся). Одна из этих частей (индуктор) создает магнитное поле, а другая имеет рабочую обмотку, представляющую собой систему проводников. Если к электрической машине подвести механическую энергию, т.е. вращать ее подвижную часть, то в соответствии с законом электромагнитной индукции в ее рабочей обмотке будет индуцироваться ЭДС. Если же к выводам этой обмотки подключить какой-либо потребитель электрической энергии, то в цепи возникнет электрический ток. Таким образом, в результате происходящих в машине процессов механическая энергия вращения будет преобразовываться в электрическую энергию. Электрические машины, осуществляющие такое преобразование, называют электрическими генераторами. Электрические генераторы составляют основу электроэнергетики - их применяют на электростанциях, где они преобразуют механическую энергию турбин в электрическую.

Если в магнитное поле перпендикулярно магнитным силовым линиям поместить проводник и пропустить по нему электрический ток, то в результате взаимодействия этого тока с магнитным толем на проводник будет действовать механическая сила. Поэтому если рабочую обмотку электрической машины подключить к Щеточнику электрической энергии, то в ней появится ток, а так эта обмотка находится в магнитном поле индуктора, то на ее 1роводники будут действовать механические силы. Под действием этих сил подвижная часть электрической машины начнет вращаться. [При этом электрическая энергия будет преобразовываться в механическую. Электрические машины, осуществляющие такое преобразование, называют электрическими двигателями. Электродвигатели широко используются в электроприводе станков, подъемных кранов, транспортных средств, бытовых приборов и т.д.

Электрические машины обладают свойством обратимости, т.е. эбая электрическая машина может работать как в режиме генератора, так и двигателя. Все зависит от вида подводимой к машине энергии. Однако обычно каждая электрическая машина имеет конкретное назначение: либо она генератор, либо двигатель.

Основой для создания электрических машин и трансформаторов был открытый М.Фарадеем закон электромагнитной индукции. Начало практического применения электрических машин было [положено академиком Б.С.Якоби, который в 1834 г. создан конструкцию электрической машины, явившуюся прототипом современного коллекторного электродвигателя.

Широкому применению электрических машин в промышленном электроприводе способствовало изобретение русским инженером М.О.Доливо-Доброволъским (1889) трехфазного асинхронного двигателя, отличавшегося от применявшихся в то время коллекторных электродвигателей постоянного тока простотой конструкции и высокой надежностью.

К началу XX в. было создано большинство видов электрических машин, применяемых и в настоящее время.

Скачать учебник Электрические машины приборных устройств и средств автоматизации . Москва, Издательский центр «Академия», 2006

Учебник для студ. учреждений сред, проф. образования. — 12-е изд., стер. — М.: Академия, 2013. — 496 с. ISBN 978-5-7695-9705-3.В учебнике рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как общего, так и специального назначения, получивших распространение в различных отраслях техники.
Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01. «Организация технического обслуживания и ремонта электрического и электромеханического оборудования» (МДК.01.01) по специальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования».
Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть использовано студентами вузов.Предисловие.
Введение.
Назначение электрических машин и трансформаторов.
Электрические машины электромеханические преобразователи энергии.
Классификация электрических машин.
Трансформаторы.
Рабочий процесс трансформатора.
Назначение и области применения трансформаторов.
Принцип действия трансформаторов.
Устройство трансформаторов.
Уравнения напряжений трансформатора.
Уравнения магнитодвижущих сил и токов.
Приведение параметров вторичной обмотки и схема замещения приведенного трансформатора.
Векторная диаграмма трансформатора.
Трансформирование трехфазного тока и схемы соединения обмоток трехфазных трансформаторов.
Явления при намагничивании магнитопроводов трансформаторов.
Влияние схемы соединения обмоток на работу трехфазных трансформаторов в режиме холостого хода.
Экспериментальное определение параметров схемы замещения трансформаторов.
Упрощенная векторная диаграмма трансформатора.
Внешняя характеристика трансформатора.
Потери и КПД трансформатора.
Регулирование напряжения трансформаторов.
Группы соединения обмоток и параллельная работа трансформаторов.
Группы соединения обмоток трансформаторов.
Параллельная работа трансформаторов.
Трехобмоточные трансформаторы и автотрансформаторы.
Трехобмоточные трансформаторы.
Автотрансформаторы.
Переходные процессы в трансформаторах.
Переходные процессы при включении и при внезапном коротком замыкании трансформаторов.
Перенапряжения в трансформаторах.
Трансформаторные устройства специального назначения.
Трансформатор с подвижным сердечником.
Трансформаторы для выпрямительных устройств.
Пик-трансформаторы.
Умножители частоты.
Трансформаторы для дуговой электросварки.
Силовые трансформаторы общего назначения.
Охлаждение трансформаторов.
Общие вопросы теории бесколллекторных машин.
Принцип действия бесколлекторных машин переменного тока.
Принцип действия синхронного генератора.
Принцип действия асинхронного двигателя.
Принцип выполнения обмоток статора машин переменного тока.
Устройство статора бесколлекторной машины и основные понятия об обмотках статора.
Электродвижущая сила катушки.
Электродвижущая сила катушечной группы.
Электродвижущая сила обмотки статора.
Зубцовые гармоники ЭДС.
Основные типы обмоток статора.
Трехфазные двухслойные обмотки с целым числом пазов на полюс и фазу.
Трехфазная двухслойная обмотка с дробным числом пазов на полюс и фазу.
Однослойные обмотки статора.
Изоляция обмотки статора.
Магнитодвижущая сила обмоток статора.
Магнитодвижущая сила сосредоточенной обмотки.
Магнитодвижущая сила распределенной обмотки.
Магнитодвижущая сила трехфазной обмотки статора.
Круговое, эллиптическое и пульсирующее магнитные поля.
Высшие пространственные гармоники магнитодвижущей силы трехфазной обмотки.
Асинхронные машины.
Режимы работы и устройство асинхронных машин.
Двигательный и генераторный режимы работы асинхронной машины.
Устройство асинхронных двигателей.
Магнитная цепь асинхронной машины.
Основные понятия.
Расчет магнитной цепи асинхронного двигателя.
Магнитные потоки рассеяния асинхронной машины
Роль зубцов сердечника в наведении ЭДС и создании электромагнитного момента.--------
Схема замещения асинхронного двигателя.
Уравнения напряжений асинхронного двигателя.
Уравнения МДС и токов асинхронного двигателя.
Приведение параметров обмотки ротора и векторная диаграмма асинхронного двигателя.
Электромагнитный момент и рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Потери и КПД асинхронного двигателя.
Понятия о характеристиках двигателей и рабочих механизмов.
Электромагнитный момент и механические характеристики асинхронного двигателя.
Механические характеристики асинхронного двигателя при изменениях напряжения сети и активного сопротивления обмотки ротора.
Рабочие характеристики асинхронного двигателя.
Электромагнитные моменты от высших пространственных гармоник магнитного поля асинхронного двигателя.
Опытное определение параметров и расчет рабочих характеристик асинхронных двигателей.
Основные понятия.
Опыт холостого хода.
Опыт короткого замыкания.
Круговая диаграмма асинхронного двигателя.
Построение рабочих характеристик асинхронного двигателя по круговой диаграмме.
Аналитическим метод расчета рабочих характеристик асинхронных двигателей.
Пуск, регулирование частоты вращения и торможение трехфазных асинхронных двигателей.
Пуск асинхронных двигателей с фазным ротором.
Пуск асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.
Короткозамкнутые асинхронные двигатели с улучшенными пусковыми характеристиками.
Регулирование частоты вращения асинхронных двигателей.
Тормозные режимы асинхронных двигателей.
Однофазные и конденсаторные асинхронные двигатели.
Принцип действия и пуск однофазного асинхронного двигателя.
Асинхронные конденсаторные двигатели.
Работа трехфазного асинхронного двигателя от однофазной сети.
Однофазный асинхронный двигатель с экранированными полюсами.
Асинхронные машины специального назначения.
Индукционный регулятор напряжения и фазорегулятор.
Асинхронный преобразователь частоты.
Электрические машины синхронной связи.
Асинхронные исполнительные двигатели.
Линейные асинхронные двигатели.
Конструктивные формы исполнения электрических машин.
Нагревание и охлаждение электрических машин.
Способы охлаждения электрических машин.
Конструктивные формы исполнения электрических машин. 2008
Серии трехфазных асинхронных двигателей.
Синхронные машины.
Способы возбуждения и устройство синхронных машин.
Возбуждение синхронных машин.
Типы синхронных машин и их устройство.
Охлаждение крупных синхронных машин.
Магнитное поле и характеристики синхронных генераторов.
Магнитная цепь синхронной машины.
Магнитное поле синхронной машины.
Реакция якоря синхронной машины.
Уравнения напряжений синхронного генератора.
Векторные диаграммы синхронного генератора.
Характеристики синхронного генератора.
Практическая диаграмма ЭДС синхронного генератора.
Потери и КПД синхронных машин.
Параллельная работа синхронных генераторов.
Включение синхронных генераторов на параллельную работу.
Нагрузка синхронного генератора, включенного на параллельную работу.
Угловые характеристики синхронного генератора.
Колебания синхронных генераторов.
Синхронизирующая способность синхронных машин.
U-образные характеристики синхронного генератора.
Переходные процессы в синхронных генераторах.
Синхронный двигатель и синхронный компенсатор.
Принцип действия синхронного двигателя.
Пуск синхронных двигателей.
U-образные и рабочие характеристики синхронного двигателя.
Синхронный компенсатор.
Синхронные машины специального назначения.
Синхронные машины с постоянными магнитами.
Синхронные реактивные двигатели.
Гистерезисные двигатели.
Шаговые двигатели.
Синхронный волновой двигатель.
Синхронный генератор с когтеобразными полюсами и электромагнитным возбуждением.
Индукторные синхронные машины.
Коллекторные машины.
Принцип действия и устройство коллекторных машин постоянного тока.
Принцип действия генератора и двигателя постоянного тока.
Устройство коллекторной машины постоянного тока.
Обмотки якоря коллекторных машин.
Петлевые обмотки якоря.
Волновые обмотки якоря.
Уравнительные соединения и комбинированная обмотка якоря.
Электродвижущая сила и электромагнитный момент машины постоянного тока.
Выбор типа обмотки якоря.
Магнитное поле машины постоянного тока.
Магнитная цепь машины постоянного тока.
Реакция якоря машины постоянного тока.
Учет размагничивающего влияния реакции якоря.
Устранение вредного влияния реакции якоря.
Способы возбуждения машин постоянного тока.
Коммутация в коллекторных машинах постоянного тока.
Причины, вызывающие искрение на коллекторе.
Прямолинейная коммутация.
Криволинейная замедленная коммутация.
Способы улучшения коммутации.
Круговой огонь по коллектору.
Радиопомехи коллекторных машин.
Коллекторные генераторы постоянного тока.
Основные понятия.
Генератор независимого возбуждения.
Генератор параллельного возбуждения.
Генератор смешанного возбуждения.
Коллекторные двигатели.
Основные понятия.
Двигатели постоянного тока независимого и параллельного возбуждения.
Пуск двигателя постоянного тока.
Регулирование частоты вращения двигателей независимого (параллельного) возбуждения.
Двигатель последовательного возбуждения.
Двигатель смешанного возбуждения.
Двигатели постоянного тока в тормозных режимах.
Потери и коэффициент полезного действия коллекторной машины постоянного тока.
Машины постоянного тока серий 4П и 2П.
Универсальные коллекторные двигатели.
Машины постоянного тока специального назначения.
Электромашинный усилитель.
Тахогенератор постоянного тока.
Бесконтактные двигатели постоянного тока.
Исполнительные двигатели постоянного тока.
Список литературы.
Предметный указатель.

CРЕДНЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

«Федеральный институт развития образования» в качестве учебника для использования в учебном процессе образовательных учреждений, реализующих ФГОС СПО по группе специальностей 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

12 е издание, стереотипное

Р е ц е н з е н т:

Е. П. Рудобаба (Московский вечерний электромеханический

техникум им. Л. Б. Красина)

Кацман М. М.

К 307 Электрические машины: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / М. М. Кацман. - 12&е изд., стер. - М. : Из& дательский центр «Академия», 2013. - 496 с.

ISBN 978&5&7695&9705&3

В учебнике рассматриваются теория, принцип действия, устройство и анализ режимов работы электрических машин и трансформаторов как об& щего, так и специального назначения, получивших распространение в раз& личных отраслях техники.

Учебник может быть использован при освоении профессионального модуля ПМ.01. «Организация технического обслуживания и ремонта элек& трического и электромеханического оборудования» (МДК.01.01) по спе& циальности 140448 «Техническая эксплуатация и обслуживание электриче& ского и электромеханического оборудования».

Для студентов учреждений среднего профессионального образования. Может быть полезен студентам вузов.

УДК 621.313(075.32) ББК 31.26я723

Оригинал-макет данного издания является собственностью Издательского центра« Академия», и его воспроизведение любым способом без согласия правообладателя запрещается

© М. М.Кацман, 2006

© Т.И.Светова, наследница Кацмана М. М., 2011

© Образовательно-издательский центр «Академия», 2011

ISBN 978 5 7695 9705 3 © Оформление. Издательский центр «Академия», 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебник написан в соответствии с учебными программами пред мета «Электрические машины» для специальностей «Электрические машины и аппараты», «Электроизоляционная, кабельная и конден саторная техника» и «Техническая эксплуатация, обслуживание и ремонт электрического и электромеханического оборудования» средних профессиональных учебных заведений.

Книга содержит основы теории, описание конструкций и анализ эксплуатационных свойств трансформаторов и электрических ма шин. Кроме того, в ней приведены примеры решения задач, что без условно будет способствовать лучшему пониманию изучаемых воп росов.

В учебнике принят следующий порядок изложения материала: трансформаторы, асинхронные машины, синхронные машины, кол лекторные машины. Такая последовательность изучения облегчает усвоение курса и наиболее полно отвечает современному состоя нию и тенденциям развития электромашиностроения. Наряду с электрическими машинами общего назначения в учебнике рассмот рены некоторые виды трансформаторов и электрических машин специального назначения, приведены сведения по техническому уровню современных серий электрических машин с описанием осо бенностей их конструктивного исполнения.

Основное внимание в учебнике уделено раскрытию физической сущности явлений и процессов, определяющих работу рассматри ваемых устройств.

Принятая в книге методика изложения материала основана на многолетнем опыте преподавания предмета «Электрические ма шины».

ВВЕДЕНИЕ

В.1. Назначение электрических машин

и трансформаторов

Электрификация - это широкое внедрение в промышленность, сельское хозяйство, транспорт и быт электрической энергии, выра батываемой на мощных электростанциях, объединенных высоко вольтными электрическими сетями в энергетические системы.

Электрификация осуществляется посредством устройств, про изводимых электротехнической промышленностью. Основной от раслью этой промышленности является электромашиностроение , занимающееся разработкой и изготовлением электрических машин и трансформаторов.

Электрическая машина представляет собой электромеханиче ское устройство, осуществляющее взаимное преобразование меха нической и электрической энергий. Электрическая энергия выра батывается на электростанциях электрическими машинами - гене раторами, преобразующими механическую энергию в электрическую.

Основная часть электроэнергии (до 80 %) вырабатывается на теп ловых электростанциях, где при сжигании химического топлива (уголь, торф, газ) вода нагревается и переводится в пар высокого давления. Последний подается в паровую турбину, где, расширя ясь, приводит ротор турбины во вращение (тепловая энергия в тур бине преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал генератора (турбогенератора). В результате элек тромагнитных процессов, происходящих в генераторе, механическая энергия преобразуется в электрическую.

Процесс производства электроэнергии на атомных электростан циях аналогичен процессу на тепловой электростанции, с той лишь разницей, что вместо химического топлива там используется ядерное.

На гидравлических электростанциях процесс выработки элект роэнергии состоит в следующем: вода, поднятая плотиной на опре деленный уровень, сбрасывается на рабочее колесо гидротурбины; получаемая при этом механическая энергия путем вращения коле са турбины передается на вал электрического генератора (гидроге нератора), в котором механическая энергия преобразуется в элект рическую энергию.

В процессе потребления электрической энергии происходит ее пре образование в другие виды энергий (тепловую, механическую, хими ческую). Около 70 % электроэнергии используется для приведения в движение станков, механизмов, транспортных средств, т. е. для пре

образования ее в механическую энергию. Это преобразование осу ществляется электрическими машинами - электродвигателями .

Электродвигатель - основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость электрической энергии, простота ее распределения позволили широко применить в промышленно сти многодвигательный электропривод рабочих машин, когда отдель ные звенья рабочей машины приводятся в движение собственными двигателями. Многодвигательный привод значительно упрощает механизм рабочей машины (уменьшается число механических пе редач, связывающих отдельные звенья машины) и создает большие возможности в автоматизации различных технологических процес сов. Электродвигатели широко используют на транспорте в каче стве тяговых двигателей, приводящих во вращение колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и др.

За последнее время значительно возросло применение электри ческих машин малой мощности - микромашин мощностью от до лей до нескольких сотен ватт. Такие электрические машины исполь зуют в приборных устройствах, средствах автоматизации и быто вой техники - пылесосах, холодильниках, вентиляторах и др. Мощ ность этих двигателей невелика, конструкция проста и надежна, и изготовляют их в больших количествах.

Электрическую энергию, вырабатываемую на электростанциях, необходимо передать в места ее потребления, прежде всего в круп ные промышленные центры страны, которые удалены от мощных электростанций на многие сотни, а иногда и тысячи километров. Но электроэнергию недостаточно передать. Ее необходимо распре делить среди множества разнообразных потребителей - промыш ленных предприятий, жилых зданий и т. д. Передачу электроэнер гии на большие расстояния осуществляют при высоком напряже нии (до 500 кВ и более), чем обеспечиваются минимальные элект рические потери в линиях электропередачи. Поэтому в процессе передачи и распределения электрической энергии приходится неод нократно повышать и понижать напряжение. Этот процесс выпол няется посредством электромагнитных устройств, называемых трансформаторами . Трансформатор не является электрической машиной, так как его работа не связана с преобразованием электри ческой энергии в механическую или наоборот. Трансформаторы пре образует лишь напряжение электрической энергии. Кроме того, транс форматор - это статическое устройство, и в нем нет никаких движу щихся частей. Однако электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторах, аналогичны процессам, происходящим при рабо те электрических машин. Более того, электрическим машинам и трансформаторам свойственна единая природа электромагнитных и энергетических процессов, возникающих при взаимодействии маг нитного поля и проводника с током. По этим причинам трансформа торы составляют неотъемлемую часть курса электрических машин.

Теоретические основы работы электрических машин были зало жены в 1821 г. М. Фарадеем, установившим возможность преобра зования электрической энергии в механическую и создавшим пер вую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электри ческих машин имели работы ученых Д. Максвелла и Э. X. Ленца. Идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила дальнейшее развитие в работах выдающихся рус ских ученых Б. С. Якоби и М. О. Доливо Добровольского, которы ми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического использования.

Большие заслуги в создании трансформаторов и их практиче ском применении принадлежат замечательному русскому изобре тателю П. Н. Яблочкову. В начале XX столетия были созданы по чти все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории.

В настоящее время отечественное электромашиностроение до стигло значительных успехов. Дальнейший технический прогресс определяет в качестве основной задачи практическое внедрение до стижений электротехники в реальные разработки устройств элект ропривода для промышленных устройств и изделий бытовой тех ники. Главная задача научно технического прогресса состоит в тех ническом перевооружении и реконструкции производства. Значи тельная роль в решении этой задачи отводится электрификации. При этом необходимо учитывать возрастающие экологические тре бования к источникам электроэнергии и наряду с традиционными необходимо развивать экологически чистые (альтернативные) спо собы производства электроэнергии с использованием энергии солн ца, ветра, морских приливов, термальных источников.

В условиях научно технического развития большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускае мых электрических машин и трансформаторов. Решение этой зада чи является важным средством развития международного эконо мического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения

и промышленные предприятия России ведут работы по созданию новых видов электрических машин и трансформаторов, удовлетво ряющих современным требованиям к качеству и технико экономи ческим показателям выпускаемой продукции.

В.2. Электрические машины - электромеханические

преобразователи энергии

Изучение электрических машин основано на знаниях физичес кой сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе «Теоретические основы электротехники». Поэтому, прежде

Рис. В.2. Правила «правой руки» (а ) и «левой руки» (б )

Рис. B.1. К понятиям об «элементарном генераторе» (а ) и «элементарном двигателе» (б )

чем приступить к изучению курса «Электрические машины», вспом ним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую очередь закона электромагнитной индукции.

В процессе работы электрической машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в электрическую. В основе этого процесса лежит закон электромагнитной индукции : если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. B.1,а ), например, слева на право перпендикулярно вектору индукцииВ магнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет наводиться электродвижущая сила (ЭДС)

где B - магнитная индукция, Тл; l - активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; v - скорость движения проводника, м/с.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2, а ). Применив это правило, опре делим направление ЭДС в про воднике («от нас»). Если концы

проводника замкнуты на внеш нее сопротивление R (потреби тель), то под действием ЭДС E

в проводнике возникнет ток та кого же направления. Таким

образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генера тор , в котором механическая энергия затрачивается на пере мещение проводника со скоро

стью v.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возни кает действующая на проводник электромагнитная сила

Направление силы Fэм можно определить по правилу «левой ру ки» (рис. B.2,б ). В рассматриваемом случае эта сила направлена спра ва налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким обра зом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила Fэм является тормозящей по отношению к движущей силе F. При равномерном движении проводника эти силы равны, т. е. F = Fэм . Умножив обе части равенства на скорость движения проводника v, получим

Fv = Fэм v.

Подставив в это выражение значение Fэм из (B.2), получим

Левая часть равенства (B.3) определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть - значение электрической мощности, развивае мой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями еще раз подтверждает, что в генераторе меха ническая мощность Fv, затрачиваемая внешней силой, преобразу ется в электрическую мощность EI.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от ис точника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. B.1, б , то на проводник будет действовать только электромагнитная сила Fэм . Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике будет индуцироваться ЭДС с направлени ем, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напря жения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС E, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник из сети, частично преобразуется в меха ническую (Fэм v), а частично расходуется на покрытие электриче ских потерь в проводнике (I2 r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитном поле, можно рассматривать какэлемен тарный электродвигатель .

Описанные явления позволяют сделать вывод:

а) для любой электрической машины обязательно наличие элек тропроводящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих возможность взаимного перемещения;

б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя одновременно наблюдаются индуцирова ние ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возник новение механической силы, действующей на проводник, находя щийся в магнитном поле, при прохождении по нему электрическо го тока;

в) взаимное преобразование механической и электрической энер гий в электрической машине может происходить в любом направ лении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как

в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство элект рических машин называют обратимостью .

Рассмотренные «элементарные» электрические генератор и дви гатель отражают лишь принцип использования в них основных за конов и явлений электрического тока. Что же касается конструк тивного исполнения, то большинство электрических машин по строено на принципе вращательного движения их подвижной час ти. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обоб щенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. B.3) состоит из неподвижной части 1 , называемойстатором , и вращающейся части2 , называемойротором . Ротор располагается

в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабжена элементами, возбуждающими

в машине магнитное поле (например, электромагнит или постоян ный магнит), а другая - имеет обмотку, которую будем условно

называть рабочей обмоткой ма шины.Как неподвижная часть машины (статор), так и подвиж ная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно мяг кого материала и обладающие небольшим магнитным сопро тивлением.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то

Рис. В.3. Обобщенная конструктив ная схема электрической машины

при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в про водниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении по требителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, воз никший в проводниках этой обмотки, взаимодействует с магнит ным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приво дящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потреб ляемая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на приведение в действие какого либо механизма, станка, транспортного средства и т. п.

Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждаю щие магнитное поле, - на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк - от долей ватта до сотен тысяч киловатт.

В.З. Классификация электрических машин

Использование электрических машин в качестве генераторов и двигателей является их главным назначением, так как связано ис ключительно с целью взаимного преобразования электрической и механической энергий. Однако применение электрических машин в различных отраслях техники может иметь и другие цели. Так, по требление электроэнергии часто связано с преобразованием пере менного тока в постоянный или же с преобразованием тока промыш ленной частоты в ток более высокой частоты. Для этих целей при меняют электромашинные преобразователи .

Электрические машины используют также для усиления мощ ности электрических сигналов. Такие электрические машины на зывают электромашинными усилителями . Электрические машины, используемые для повышения коэффициента мощности потреби телей электроэнергии, называютсинхронными компенсаторами . Электрические машины, служащие для регулирования напряжения переменного тока, называютиндукционными регуляторами .

Очень разнообразно применение микромашин в устройствах ав томатики. Здесь электрические машины используют не только в качестве двигателей, но и в качестветахогенераторов (для преоб разования частоты вращения в электрический сигнал),сельсинов ,

вращающихся трансформаторов (для получения электрических сигналов, пропорциональных углу поворота вала) и т. п. Из приве денных примеров видно, сколь разнообразны электрические маши ны по назначению.