Предисловие (стр. 1 )

ПРЕДИСЛОВИЕ

При написании данного учебного пособия авторы преследова­ли цель в наиболее доступной форме ознакомить студентов с тео­рией трансформаторов и электрических машин. Эти электротех­нические устройства используются в настоящее время во всех об­ластях человеческой деятельности: при производстве электрической энергии и в промышленности, на транспорте и в сельском хозяй­стве, в оборонной и космической технике, в научных и бытовых приборах, в ручном инструменте и игрушках.

История электромеханики насчитывает уже около двух веков, начиная с создания и развития машин постоянного тока, преоб­ладавших до 20-х гг. XX в., после чего доминирующие позиции заняли машины переменного тока.

Существует много фундаментальных монографий и учебников по электрическим машинам. Однако студентам, начинающим изучать этот курс, трудно сориентироваться в чрезмерном объеме существую­щей информации, выбрать из нее самое важное, а за сложными мате­матическими выражениями увидеть и понять физические принципы работы изучаемых устройств. Кроме того, объем учебных часов по дисциплине «Электрические машины» в соответствии с програм­мой уменьшился за последние 15 лет практически в два раза.

Изучение электрических машин базируется на вузовских кур­сах высшей математики, физики, теоретической электротехни­ки, электротехнических материалов и метрологии. К сожалению, учебные планы в большинстве вузов построены так, что изуче­ние электрических машин начинается, когда еще не завершено обучение по указанным базовым дисциплинам, а зачастую про­ходит параллельно. Поэтому при написании данного пособия ав­торы постоянно учитывали уровень предшествующей подготов­ки студентов, т. е. стремились к максимальной наглядности изло­жения материала, объясняли происхождение и значение новых технических терминов и акцентировали внимание на основных положениях и выводах.

Работа между авторами распределилась следующим образом: предисловие, введение и гл. 1 — 11 написаны , гл. 12 —22 — .

Авторы глубоко признательны за помощь в оформлении рукописи.

ВВЕДЕНИЕ

Вы начинаете изучать новый предмет, который важен для всех электротехнических специальностей, так как электрические машины являются основными источниками и потребителями электроэнер­гии. Известно, что почти вся электрическая энергия, используемая человечеством, вырабатывается электрическими машинами — син­хронными генераторами, и львиная доля ее потребляется электри­ческими машинами — двигателями с целью преобразования в механическую энергию.

Известны и другие способы генерации электрической энер­гии, в том числе прямые безмашинные. Например, фотоэлементы преобразуют энергию света в электрическую, и составленные из них солнечные батареи используются на космических аппаратах. Аккумуляторы автомобилей и батарейки преобразуют энергию хи­мической реакции в электрическую, а магнитогидродинамичес­кие (МГД) генераторы превращают в электроэнергию механи­ческую энергию ионизированных жидкости или газа, движущих­ся в магнитном поле.

Однако мощность фотоэлектрических и химических источни­ков электроэнергии несравнимо меньше мощности вращающихся генераторов, а МГД-генераторы из-за конструктивной сложно­сти и ряда других еще не решенных проблем не могут широко использоваться в энергетике.

В настоящее время все большее внимание уделяется созданию и применению нетрадиционных и возобновляемых источников электрической анергии, например, ветроэнергетических устано­вок, приливных и геотермальных электростанции, которые за­частую лучше традиционных электрических станций удовлетво­ряют требованиям защиты окружающей среды (экологическим) И энергосбережения, обеспечивая гарантированное автономное энергоснабжение потребителей. Однако в этих установках элект­ромашинные генераторы также являются незаменимыми элемен­тами.

Электрические машины — это раздел электромеханики, т. е. области науки и техники, теоретической базой которой является общая теория электромеханического преобразования энергии. Элек­трические машины по существу являются, а часто и называются электромеханическими преобразователями энергии.

Электромеханика включает в себя следующие разделы:

электрические машины;

электрические и электронные аппараты;

электрический привод;

системы автоматического регулирования (управления).

Электрические машины и аппараты — это те элементы, без которых не могут создаваться электроприводы и системы автома­тического регулирования, т. е. без них невозможно существование автоматики и телемеханики*. Этим замечанием мы хотим еще раз подчеркнуть роль электрических машин в технике и важность дан­ного курса.

Электрические и электронные аппараты, электропривод и си­стемы автоматического регулирования составляют отдельные пред­меты, которые изучаются позднее.

В курсе электрических машин рассматриваются вопросы тео­рии, конструкции и рабочие свойства:

трансформаторов — преобразователей значений напряжения;

электрических двигателей — преобразователей электрической энергии в механическую;

электрических генераторов — преобразователей механической энергии в электрическую;

вращающихся преобразователей электроэнергии с одними па­раметрами (род тока, напряжение, частота и др.) в электроэнер­гию с другими параметрами.

Французское слово machine — «машина» означает устройство, выполняющее механическое движение в целях преобразования энергии, материалов или информации. С позиции этого определе­ния трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не осуществляется электромеханическое преобразование энергии. Трансформатор — это статический (т. е. без механическо­го движения) электромагнитный аппарат для изменения значе­ния напряжения переменного тока.

Однако изучение электрических машин лучше начинать именно с трансформатора, так как происходящие в нем физические про­цессы имеют много общего с процессами во вращающихся маши­нах, принцип работы которых основан на явлении электромагнит­ной индукции. На базе теории трансформатора можно более на­глядно изложить теорию электрических машин переменного тока.

Электрические машины, в которых используется явление элек­тромагнитной индукции, называют индукционными, а электри­ческие машины, принцип действия которых основан на электро­статической индукции, — емкостными. Последние находят огра­ниченное применение и в данном курсе не рассматриваются.

Индукционные электрические машины, получившие широкое распространение, имеют несложные конструкции, просты в экс­плуатации и обслуживании, в них легко обеспечиваются подвод и отвод энергии, а также они могут выполняться на различные мощ­ности и скорости вращения. Например, в приборах используются электродвигатели мощностью в доли ватта, а на Костромской ГРЭС эксплуатируются синхронные турбогенераторы мощностью 1 млн. 200 тыс. киловатт, изготовленные на заводе «Электросила» в Санкт-Петербурге.

В тепловых электрических станциях — теплоэлектроцентралях (ТЭЦ) и государственных районных электростанциях (ГРЭС) — производится сжигание какого-либо органического топлива: не­фти, газа, мазута, угля, сланца, торфа и др. Получаемая при этом теплота преобразует воду в пар в специальных парогенераторах, откуда этот пар под давлением поступает на лопатки турбины. Помимо производства электроэнергии ТЭЦ снабжают промыш­ленные предприятия и жилые здания тепловой энергией.

В настоящее время человечеством используются в основном следующие источники энергии: гидроресурсы (19%), ядерное (17%) и органическое (64%) топливо. Экономический потенци­ал любой страны в значительной степени определяется ее энерге­тическими ресурсами, среди которых производство электроэнер­гии играет первостепенную роль.

В настоящее время на территории России функционируют 520 электрических станций, причем около 20% электроэнергии вырабатывается на гидравлических электростанциях (ГЭС), а ос­тальные 80% — на тепловых (ТЭС). Атомные электростанции (АЭС) также являются тепловыми, и их доля в производстве элек­троэнергии составляет около 13 %.

Следовательно, электрические станции различаются по виду источника первичной механической мощности, преобразуемой в электрическую. Это преобразование на станциях любого типа осу­ществляют электромашинные генераторы. Генераторы ТЭС, на­зываемые турбогенераторами, приводятся во вращение паровыми или газовыми турбинами, использующими энергию пара или газа высокого давления. На ГЭС используют гидрогенераторы, получа­ющие механическую энергию от гидравлической турбины,- при­водимой во вращение энергией движущейся воды.

Данный курс содержит следующие разделы:

трансформаторы;

машины переменного тока (асинхронные и синхронные);

коллекторные машины постоянного тока.

РАЗДЕЛ I ТРАНСФОРМАТОРЫ

ГЛАВА 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

1.1. Материалы, применяемые в электромашиностроении

В электрических машинах и трансформаторах используются проводниковые, изоляционные, магнитные и конструкционные материалы. Проводниковые, изоляционные (диэлектрические) и магнитные материалы называют электротехническими.

Обмотки электрических машин и некоторых трансформаторов изготавливаются из меди. Промышленностью выпускаются также трансформаторы с обмотками из менее дефицитного и более де­шевого алюминия. Алюминий имеет значительно меньшую плот­ность по сравнению с медью, но его удельное электрическое со­противление примерно в 1,6 раза выше. Технология изготовления алюминиевых обмоток несколько сложнее, чем медных.

Обмотки выполняются из проводников круглого и прямоугольного поперечного сечения, а обмотки маломощных трансформа­торов иногда могут выполняться из тонкой фольги.

В процессе работы машин и трансформаторов происходят поте­ри активной мощности, и возникающая при этом тепловая энер­гия нагревает элементы конструкции. Наименее стойки к воздей­ствию теплоты — изоляционные материалы. В этом смысле они — самый уязвимый элемент конструкции машин и трансформато­ров, лимитирующий допустимые потери мощности и температу­ру нагрева всего устройства.

Кроме теплостойкости электроизоляционные материалы дол­жны иметь высокие электрическую и механическую прочность, хорошие теплопроводность и стойкость к воздействию влаги и химически активных веществ.

Важнейшим показателем качества изоляционных материалов является их теплостойкость (или нагревостойкость),

которая оп­ределяет расход активных материалов, надежность работы и срок

Таблица 1.1

Условное обозначение класса изоляционных материалов	Y	A	E	B	F	H	C
	90	105	120	130	155	180	Более 180

Классы

изоляционных материи по нагреваемости службы машин и трансформаторов. Разные изоляционные матери­алы, имеющие различную нагревостойкость, по ГОСТ 8865—87 подразделяются на семь классов, которые характеризуются мак­симальной допустимой температурой нагрева 0ДОП (табл. 1.1).

Перечислим материалы, принадлежащие к разным классам по нагревостойкости:

У— бумага, картон и другие материалы на основе целлюлозы, шелка, хлопка, не пропитанные жидким диэлектриком, а также синтетические материалы: полиэтилен, полистирол и др.;

А — материалы на основе целлюлозы, шелка, хлопка и дерева, пропитанные жидким диэлектриком (гетинакс, текстолит, лакот-кани, электротехнический картон), трансформаторное масло, кап­рон и др.;

Е — эмаль (винифлекс). эпоксидная смола, лавсан и другие синтетические материалы;

В — материалы на основе слюды (миканит, микалента), асбеста и стекловолокна, пропитанные органическими лаками и смолами;

H — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, про­питанные смесью органических лаков и кремнийорганическими смо­лами, а также высокопрочная эмаль на полиэфиримидной основе;

Н — материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, пропитанные кремиийорганическими смолами (стекломиканит, стеклолакоткань, стеклотекстолит и др.);

С — слюда, асбест, стекловолокно, стекло, кварц, фарфор в чистом виде, без пропиток.

При воздействии температур, превышающих ©лоп> изменяются физико-химические свойства электроизоляционных материалов, снижаются их механическая и диэлектрическая прочность, умень­шается срок службы.

Сердечники электрических машин и трансформаторов изготав­ливают из магнитного материала — специальной электротехни­ческой стали, которая отличается от обычных конструкционных сталей более высокой магнитной проницаемостью ц и более низ­кими, удельными потерями мощности в единице объема. Меньшие

Рис. 1,1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов:

1 - холоднокатаная сталь; 2 — горячекатаная сталь; 3- конструкционная сталь; 4 — серый чугун

потери в электротехнической стали определяются более высоким удельным электрическим сопротивлением вследствие повышен­ного содержания кремния.

Характеристики трансформатора, сердечник которого выпол­нен из конструкционной стали, скажем, из кровельного железа, будут очень плохими (он будет иметь значительно большие габа­ритные размеры, ток холостого хода и потери), т. е. КПД такого трансформатора окажется весьма низким.

Сердечники магнитопроводов собраны из тонких пластин толщиной обычно 0,35 или 0,5 мм, хотя промышленность выпускает более широкий диапазон толщин. Для увеличения сопротивления вихревым токам пластины изолируются лаком или оксидной плен­кой. В результате вихревые токи и вызванные ими потери мощно­сти существенно снижаются.

Существует несколько марок электротехнической стали. При этом сталь, которая используется в сердечниках трансформаторов, часто называют трансформаторной. Ранее это была горячекатаная изотропная сталь, сейчас почти исключительно — холодноката­ная анизотропная сталь. У холоднокатаных сталей магнитная про­ницаемость в направлении прокатки выше, чем у горячекатаных, а удельные потери меньше. Например, при индукции 1 Тл и частоте f= 50 Гц одна из типичных марок горячекатаной стали имеет потери 1,2 Вт/кг, а холоднокатаной — 0,7 Вт/кг.

Магнитопроводы электрических машин изготавливаются толь­ко из изотропной стали, причем как горячекатаной, так и холод­нокатаной.

Для сравнения магнитных свойств электротехнических и кон­струкционной сталей и серого чугуна на рис. 1.1 приведены их кривые намагничивания. Магнитная проницаемость равна отно­шению индукции В к напряженности магнитного поля H. Отме­тим, что с насыщением она уменьшается. При этом, чем меньше сила тока в линии, тем ниже электри­ческие потери

1.2. Роль трансформаторов в электроэнергетике

Обычно невозможно использовать всю электрическую энер­гию в месте ее производства из-за отсутствия достаточного ко­личества мощных потребителей. И, наоборот, в районах с разви­той промышленностью возможности строительства новых гид­равлических и тепловых электростанций в значительной степени уже исчерпаны.

В то же время в нашей стране в Сибири и на Севере имеются огромные, еще не полностью используемые энергетические ресур­сы рек и месторождений жидкого, газообразного и твердого топ­лива. Строящиеся в этих местах и проектируемые электростанции могут питать электрической энергией как ближайшие, так и отда­ленные промышленные районы, для чего потребуется строитель­ство линии электропередачи общей протяженностью 3000км.

Необходимость передачи электроэнергии на дальние расстоя­ния вызвана также объединением региональных энергетических систем, т. е. решением задачи формирования Единой энергети­ческой системы страны.

В объединенной энергосистеме можно оперативно изменять на­правление передачи электроэнергии из одного района в другой в зависимости от потребности, времени года, суток и т. д. При этом повышаются эффективность использования оборудования элект­рических станций и надежность электроснабжения потребителей.

Передача электрической энергии на расстояние и ее распреде­ление потребителям не могут осуществляться без многократной трансформации напряжения.

Почему целесообразно передавать электрическую энергию на расстояние при возможно более высоком напряжении в линии?

Потому что в этом случае для передачи энергии с заданной кажу­щейся мощностью 5 требуется линия передачи, рассчитанная на меньший ток , так как

При этом, чем меньше сила тока в линии, тем ниже электрические потери

где — активное сопротивление проводника; — удельное элек­трическое сопротивление материала проводов; — длина линии.

Следовательно, можно использовать провода с меньшей пло­щадью поперечного сечения 5П„, т. е. существенно снизить расход проводникового материала.

Дело в том, что в любом проводнике допустима определенная предельная плотность тока

В случае ее превышения выйдет из строя изоляция (если про­водник изолирован), что приведет к аварии машины или транс­форматора.

Площадь сечения неизолированных проводов линий электро­передачи (ЛЭП), воздушных распределительных сетей, а также изолированных проводников в токоограничивающих реакторах и некоторых других элементах наружной установки в энергосисте­мах выбирается не по допустимому нагреву, а по экономичной плотности тока. При экономичной плотности тока обеспечивают­ся оптимальная стоимость электрических потерь активной мощ­ности и эксплуатационные расходы на данном участке сети, а также минимальное отношение стоимости этого участка к норма­тивному сроку окупаемости затрат на его сооружение. Например, при использовании сталеалюминиевых проводов в ЛЭП эконо­мичная плотность тока составляет примерно 1... 2 А/мм2, что су­щественно меньше плотности тока в обмотках трансформаторов (2,5...5 А/мм:) и электрических машин (5...7,5 А/мм2).

Таким образом, передача электроэнергии тем экономичнее, чем более высокое напряжение при этом используется.

ГОСТ 23366 устанавливает следующие стандартные напряже­ния в сетях переменного тока, кВ: 0,22; 0,38; 0,66; 3; 6; 10; 20; 35; 110; 150; 220; 330; 500; 750; 1150, Напряжения до 1000 В при­нято называть низкими, а напряжение выше этого значения — высокими.

Промышленность выпускает синхронные генераторы с выход­ным напряжением, не превышающим 35 кВ.

Если проектировать машину на более высокое напряжение, изоляция обмотки статора настолько усложняется, что для ее выполнения придется принципиально менять конструкцию или размеры генератора. Такие высоковольтные синхронные маши­ны еще находятся в стадии научных исследований и опытных разработок.

Итак, напряжение, получаемое от генератора на электростан­ции, повышается трансформатором, от которого ток поступает в линию электропередачи. В районе использования напряжение вновь необходимо понизить с помощью трансформатора. В рас­пределительных сетях трансформаторы еще более понижают на­пряжение с одновременным распределением мощности по на­грузкам.

На рис 1.2 представлена упрощенная схема последовательной трансформации электроэнергии, передаваемой от электростанции потребителям. На схеме не показаны межрайонные поперечные связи, которые широко используются при объединении энерге­тических систем.

Отметим основные особенности приведенной схемы, типич­ной для энергетических систем:

1)из-за наличия пяти-шести ступеней трансформации напря­жения трансформаторы становятся самыми многочисленными эле­ментами энергосистем;

2)суммарная мощность трансформаторов на каждой последу­ющей ступени принимается большей, чем на предыдущей (так как трансформаторы последующей ступени не бывают все одно­
временно нагружены до номинальной мощности);

3)суммарная мощность всех трансформаторов в энергетиче­ской системе в среднем в 6...8 раз превышает суммарную мощ­ность генераторов.

Промышленностью уже изготавливаются трансформаторы мощ­ностью до 1 млн кВ-А и напряжением до 1150 кВ.

Отметим, что напряжение в начале каждой линии электропе­редачи несколько превышает стандартное, ^го необходимо для того, чтобы скомпенсировать падение напряжения на полном сопро­тивлении линии.

Рис. 1.2. Упрощенная схема передачи и распределения электроэнергии

На принципиальных схемах типа схемы, приведенной на рис. 1.2, короткие трехпроводные связи обозначаются одной сплошной линией, а длинные трехфазные линии электропередачи — одной штриховой линией.

1.3. Типы и классификация трансформаторов

Трансформаторы можно классифицировать по различным показателям. Существуют трансформаторы напряжения, трансформаторы тока (главным образом измерительные) и устройства трансформаторного типа:

преобразователи числа фаз;

электромагнитные преобразователи частоты (статические уд­воители частоты, утроители и т. п.);

дроссели насыщения или магнитные усилители; реакторы, в том числе управляемые;

статические трансформаторные стабилизаторы напряжения; индуктивные накопители энергии.

В данном курсе рассматриваются трансформаторы напряжения, которые бывают:

силовые, используемые в электрических сетях и системах;

для устройств автоматики и радиоэлектроники (в том числе импульсные);

высоковольтные, предназначенные для испытания электрообо­рудования.

Силовые трансформаторы подразделяются следующим образом:

общего назначения (чаще всего двухобмоточные);

печные, предназначенные для питания электрических печей;

сварочные;

для питания выпрямительных установок (например, на транс­портных подстанциях);

автотрансформаторы.

Кроме того, различают следующие силовые трансформаторы напряжения:

однофазные, трехфазные и с другим числом фаз;

двухобмоточные и многообмоточные (в зависимости от числа обмоток на фазу);

сухие и масляные (по способу охлаждения);

стержневые, броневые и тороидальные (в зависимости от кон­струкции сердечника магнитопровода);

со стальным сердечником и без него (воздушные).

1.4. Конструкции трансформаторов

Основными элементами конструкции трансформаторов явля­ются сердечник из магнитного материала и обмотки из проводни­ковой меди или алюминия. Используются также детали из элект­роизоляционных материалов (каркасы катушек, прокладки и т. п.) и конструкционной стали (бак, крепежные детали и др.).

Наибольшее распространение получили стержневые, броневые и тороидальные сердечники. Последние применяются в трансфор­маторах малой мощности.

На рис. 1.3 представлена конструкция трехфазного трансфор­матора с сердечником стержневого типа. На стержнях Л, В, С сердечника располагаются обмотки. Ярма служат для замыкания маг­нитной цепи. Сердечник набирается из пластин электротехниче­ской стали, получаемых штамповкой. Для лучшего заполнения пространства внутри цилиндрической обмотки сердечник шихту­ется из пластин различных размеров. В результате стержни, а часто и ярма, в поперечном сечении имеют ступенчатую форму (см. разрез О— О). Ближе к стержню располагается обмотка низшего напряжения (НН), так как ее легче изолировать от заземлен­ного сердечника, чем обмотку высшего напряжения (ВН).

Рис. 1.3. Конструкция трехфазного трехстержневого трансформатора

Обычно ярма сжимаются прессующими балками, а стер­жни — шпильками или изоля­ционными планками, которые забиваются между стержнем и обмоткой.

Сердечник броневого типа для однофазного трансформатора принципиально выглядит также, как в трансформаторе на рис. 1.3, но его обмотки распо­лагаются только на среднем стержне.

В местах соединения ярм и стержней трансформатора образу­ются стыки. Прямоугольные пластины сердечников из горячека­таной стали образуют прямые стыки (рис. 1.4, д), а пластины сердечников из холоднокатаной стали — косые (рис. 1.4, б), что способствует снижению потерь в этих местах магнитопровода. (Стрел­ками на рисунке показано направление магнитного потока.)

Рис. 1.4. Прямые (а) и косые (б) стыки, Рис. 1.5. Схема чередования

образующиеся при соеди­нении дисковых обмоток трансформатора

ярма и стержня трансформатора

В рассмотренных конструкциях ярма и стержни шихтуются со­вместно в переплет. При этом для уменьшения воздушных зазоров в стыках каждый последующий слой пластин сердечника отличается от предыдущего (см. рис. 1.4). Однако ярма и стержни могут собираться по отдельности, а затем соединяться, образуя стыковой сердечник. Для уменьшения воздушных зазоров в этом случае места соединения ярм и стержней подвергаются механической обработке. При этом между листами стали появляется электрический контакт, и они замыкаются, что приводит к возрастанию потерь в местах стыков. Недостатком такого сердечника по сравнению со шихтованным в переплет являются также большие воздушные зазоры в стыках, вызывающие увеличение магнитного сопротивления потоку, вследствие чего возрастает намагни­чивающий ток трансформатора и снижается его коэффициент мощности.