Искусство
Языки
Языкознание
Вычислительная техника
Информатика
Финансы
Экономика
Биология
Сельское хозяйство
Психология
Ветеринария
Медицина
Юриспруденция
Право
Физика
История
Экология
Промышленность
Энергетика
Этика
Связь
Автоматика
Математика
Электротехника
Философия
Религия
Логика
Химия
Социология
Политология
Геология
Лекция1-2011. Лекция 1 по дисциплине Электрические машины для студентов специальности 160903 Тема Введение Тема 1 Однофазный трансформатор Иркутск, 2011 г. Иркутский филиал мгту га
 Скачать 0.63 Mb.
|
|
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ ИРКУТСКИЙ ФИЛИАЛ КАФЕДРА АВИАЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОСИСТЕМ И ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННЫХ КОМПЛЕКСОВ ЛЕКЦИЯ №1 по дисциплине Электрические машины для студентов специальности 160903 Тема Введение Тема №1 Однофазный трансформатор Иркутск, 2011 г.Иркутский филиал МГТУ ГА Кафедра Авиационных электросистем и пилотажно- навигационных комплексов Лекция №1 по дисциплине: Электрические машины Тема лекции: Введение Однофазный трансформатор СОДЕРЖАНИЕВведение 0.1 Содержание дисциплины и методика ее изучения. 0.2 Роль и значение электрических машин в современной технике. Краткая история развития электрических машин. 0.3 Классификация, области применения и общая характеристика основных типов электрических машин. 0.4 Современные тенденции и перспективы развития электромашиностроения. Роль отечественных ученых в развитии электрических машин. Тема №1. Однофазный трансформатор 1.1 Принцип действия, устройство и элементы конструкции трансформатора. 1.2 Режимы холостого хода и короткого замыкания. 1.3 Работа трансформатора под нагрузкой ЛИТЕРАТУРА
НАГЛЯДНЫЕ ПОСОБИЯ, ПРИЛОЖЕНИЯ, ТСО
0.1 Содержание дисциплины и методика ее изучения Целью изучения дисциплины является получение студентами знаний в области теории, конструкции, принципов построения и функционирования электрических машин, а также практических навыков анализа, расчета и экспериментального определения параметров и характеристик, обеспечивающих их эффективную эксплуатацию, ремонт и исследование. Предметом дисциплины являются теория, характеристики и особенности эксплуатации электромеханических преобразователей энергии. Учебная дисциплина "Электрические машины" относится к группе общепрофессиональных дисциплин плана подготовки инженера по специальности "Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов". Научной основой дисциплины являются законы физики и электротехники. Изучение дисциплины базируется на знании студентами основных положений следующих учебных дисциплин: "Физика", "Математика", "Теоретические основы электротехники", "Материаловедение", "Механика". Данная дисциплина обеспечивает изучение следующих учебных дисциплин: "Системы электроснабжения ВС", "Электрифицированное оборудование ВС", "Авиационные прибоы, и информационно-измерительные системы", "Авиационные электрические машины". Дисциплина изучается в 5семестре. На ее изучение отводится 60 часов, в том числе 20 часов - лекции, 16 часов – лабораторные работы и 24 часа - самостоятельная работа студентов. Основу теоретической подготовки составляют лекции. Здесь студенты получают знания об основах теории и особенностях эксплуатации электрических машин, знакомятся с современным состоянием и перспективами развития электрических машин. На лабораторных работах студенты овладевают приемами экспериментального определения параметров и характеристик электрических машин, принципами и методами эффективного использования средств контроля технического состояния электрических машин. Текущий контроль хода и качества усвоения учебного материала дисциплины осуществляется защитой отчетов по лабораторным работам, индивидуальным контролем изучения студентами дисциплины и их работы с конспектами. Итоговый контроль определения степени достижения учебных целей проводится в форме экзамена в 5-м семестре обучения. 0.2 Роль и значение электрических машин в современной технике. Роль отечественных ученых в развитии электрических машин Теоретические основы работы электрических машин были заложены в 1821 г. Фарадеем, установившим возможность преобразования электрической энергии в механическую и создавшим первую модель электродвигателя. Важную роль в развитии электрических машин имели работы ученых Максвелла и Ленца. Идея взаимного преобразования электрической и механической энергий получила дальнейшее развитие в работах выдающихся русских ученых Якоби и Доливо-Добровольского, которыми были разработаны и созданы конструкции электродвигателей, пригодные для практического использования. Большие заслуги в создании трансформаторов и их практическом применении принадлежат замечательному русскому изобретателю Яблочкову. В начале XX столетия были созданы почти все основные виды электрических машин и трансформаторов и разработаны основы их теории. В настоящее время отечественное электромашиностроение достигло значительных успехов. Дальнейший технический прогресс определяет в качестве основной задачи практическое внедрение достижений электротехники в реальные разработки устройств электропривода для промышленных устройств и изделий бытовой техники. Главная задача научно-технического прогресса состоит в техническом перевооружении и реконструкции производства. Значительная роль в решении этой задачи отводится электрификации. При этом необходимо учитывать возрастающие экологические требования к источникам электроэнергии и наряду с традиционными необходимо развивать экологически чистые (альтернативные) способы производства электроэнергии с использованием энергии солнца, ветра, морских приливов, термальных источников. В условиях научно-технического развития большое значение приобретают работы, связанные с повышением качества выпускаемых электрических машин и трансформаторов. Решение этой задачи является важным средством развития международного экономического сотрудничества. Соответствующие научные учреждения и промышленные предприятия России ведут работы по созданию новых видов электрических машин и трансформаторов, удовлетворяющих современным требованиям к качеству и технико-экономическим показателям выпускаемой продукции. 0.3 Классификация, области применения и общая характеристика основных типов электрических машин Электрические машины - это вращающиеся электромагнитные механизмы, предназначенные для преобразования: - механической энергии в электрическую (генераторы); - электрической в механическую (двигатели); - электрической энергии одного вида или напряжения в электрическую энергию другого вида или напряжения (электромашинные преобразователи). Существует ряд электрических машин, не являющихся преобразователями энергии, а использующихся для преобразования информации, например, угла или угловой скорости в электрический сигнал (сельсины, вращающиеся трансформаторы, тахогенераторы постоянного и переменного тока). Такие машины относятся к группе специальных электрических машин. Трансформаторы являются статическими электромагнитными преобразователями энергии переменного тока, т.е. неэлектрическими машинами. Но их теория работы имеет много общего с теорией электрических машин. Поэтому трансформаторы изучаются вместе с электрическими машинами. Классификацию электрических машин можно проводить по целому ряду признаков, например: по роду тока (электрические машины постоянного и переменного тока), по принципу работы или назначению (электрические генераторы и двигатели) и по наличию контактных элементов (контактные или коллекторные электрические машины и бесконтактные или бесколлекторные). Трансформаторы будем классифицировать только по числу фаз (рис.1).  Рис.1. Классификация электрических машин 0.4 Современные тенденции и перспективы развития электромашиностроения Проблемы и перспективы развития электрических машин неразрывно связаны с перспективами создания новых систем электроснабжения и электропривода. Источники электрической энергии как постоянного, так и переменного тока в настоящее время развиваются в нескольких направлениях. Первое - стремление уменьшить массу в одной единице машины. С этой целью уже идет переход к объединенной конструкции привода постоянной скорости и генератора, что позволяет убрать один подшипник и подшипниковый щит - созданы интегральные привод-генераторы. При использовании в приводе постоянной скорости масла в качестве рабочего тела легко решается проблема охлаждения генератора. Второе - имеет большую перспективу в уменьшении массы и габаритов синхронных электрических машин, связанную с применением для их возбуждения постоянных магнитов на основе редкоземельных металлов. Они имеют высокую удельную магнитную энергию, которая во много раз превышает магнитную энергию электромагнитов равного объема. Однако эти постоянные магниты пока слишком дороги. Поэтому для массового применения они еще ограничены. В коллекторных двигателях и генераторах постоянного тока остался самый ненадежный в эксплуатации элемент - щеточно-коллекторный узел, который создает много трудностей и при изготовлении и существенно снижает эксплуатационную надежность таких электрических машин. Но двигатели постоянного тока имеют хорошие регулировочные свойства в отличие от трехфазных асинхронных двигателей. Поэтому идея создания бесколлекторного двигателя постоянного тока занимает умы специалистов уже около полувека. Сущность идеи заключается в замене механического коммутатора (коллектор - щетки) полупроводниковым, что стало возможным сейчас при достаточно развитой базе управляемой силовой полупроводниковой техники. В настоящее время интенсивно разрабатываются бесконтактные двигатели постоянного тока (БДПТ) на различные мощности. Конструктивно они представляют собой синхронные двигатели с возбуждением от постоянных магнитов на роторе. Катушки обмоток статора получают энергию от сети постоянного тока через специальный полупроводниковый коммутатор (инвертор), позволяющий регулировать частоту вращения двигателя в необходимых пределах или стабилизировать ее. Механические характеристики БДПТ могут быть от абсолютно жестких, как у синхронного двигателя, до характеристик, соответствующих обычным коллекторным двигателям постоянного тока. Применение бесколлекторных генераторов и бесконтактных двигателей постоянного тока позволит повысить надежность и улучшить эксплуатационные показатели систем электроснабжения и силового электропривода. Кроме того, в настоящее время широко используются при производстве электрических машин самые современные конструкционные и изоляционные материалы, нанотехнологии.
конструкции трансформатора Принцип действия авиационных однофазных трансформаторов Трансформатор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока одного напряжения в электрическую энергию переменного тока другого напряжения при неизменной частоте. В зависимости от назначения трансформаторы принято делить на силовые и трансформаторы специального назначения (рис. 1.1).  Простейший силовой трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода, выполненного из ферромагнитного материала (обычно листовая электротехническая сталь), и двух обмоток ω1,ω2, расположенных на стержнях магнитопровода (рис. 1.2, а).  а) б) Рис. 1.2. Конструкция (а) и условное обозначение трансформатора (б) Одна из обмоток, называемая первичной ω1, присоединяется к источнику переменного тока с напряжением U1. К другой обмотке, вторичной ω2, подключается нагрузка ZH. Первичная и вторичная обмотки трансформатора не имеют электрической связи друг с другом, и мощность из одной обмотки в другую передается электромагнитным путем. Магнитопровод, на котором расположены эти обмотки, служит для усиления индуктивной связи между обмотками. Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока по ней протекает переменный ток i1, который создает в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток сцепляется с обеими обмотками и индуцирует в них электродвижущие силы (ЭДС): в первичной обмотке – ЭДС самоиндукции: e1= -ω1(dФ/dt), (1.1) во вторичной обмотке – ЭДСвзаимоиндукции: e2= -ω2(dФ/dt), (1.2) где ω1 и ω2 – числа витков в первичной и вторичной обмотках трансформатора. При подключении нагрузки ZH к выводам вторичной обмотки трансформатора под действием ЭДС e2 в цепи этой обмотки создается ток i2, а на выводах вторичной обмотки устанавливается напряжение U2. Если напряжение, снимаемое с трансформатора, больше подводимого U2>U1, то он называется повышающим. В понижающем трансформаторе U2<U1. Из формул (1.1) и (1.2) видно, что ЭДС e1 и e2, наводимые в обмотках трансформатора, отличаются друг от друга только за счет разного числа витков ω1 и ω2 обмоток, поэтому, применяя обмотки с требуемым соотношением витков, можно изготовить трансформатор практически на любое отношение напряжений. Обмотку трансформатора, подключенную к сети с более высоким напряжением, называют обмоткой высшего напряжения (ВН), а обмотку, присоединенную к сети меньшего напряжения, – обмоткой низшего напряжения (НН). При наличии одной первичной и одной вторичной обмоток трансформатор называют двухобмоточным (см. рис. 1.2). Вторичных обмоток может быть две и более, рассчитанных часто на различные напряжения. В этом случае трансформатор называют многообмоточным. На рис. 1.2, б показано условное изображение однофазного двухобмоточного трансформатора, применяемое на принципиальных электрических схемах. В основном трансформаторы используются для преобразования электрической энергии однофазного или трехфазного переменного тока. На основании этого их классифицируют по числу фаз: однофазные и трехфазные. П ВНИМАНИЕ! Трансформатор – это аппарат переменного тока. Если же его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то магнитный поток в магнитопроводе трансформатора также будет постоянным как по величине, так и по направлению. Следовательно,dФ/dt = 0, поэтому во вторичной обмотке трансформатора не будет наводиться ЭДС, а следовательно, электроэнергия из первичной цепи не будет передаваться во вторичную. римечание. Трансформаторы обладают свойством обратимости: один и тот же трансформатор можно использовать в качестве повышающего и понижающего. Но обычно трансформатор имеет определенное назначение: либо он повышающий, либо – понижающий. Элементы конструкции авиационных однофазных трансформаторов Все типы трансформаторов, вне зависимости от классификации, имеют общие основные элементы конструкции: магнитопровод и обмотки (см. рис. 1.2, а). Часть магнитопровода, вокруг которого расположены обмотки, называется сердечником (или стержнем), а часть, соединяющая сердечники – ярмом. Обмотки трансформаторов делаются в виде катушек, расположенных коаксиально на сердечнике и имеющих длину, почти равную его длине. Катушки обмотки высшего напряжения ВН располагаются ближе к сердечнику, а низшего напряжения НН – снаружи. Для трансформаторов с рабочей температурой не более 150 С применяются провода, как правило, марки ПЭВ-2. В трансформаторах с рабочей температурой 200 С и выше используются провода с кремнийорганической изоляцией, например, ПСДКТ. Авиационные силовые трансформаторы выполняются в большинстве случаев с естественным охлаждением. Магнитопровод авиационных трансформаторов представляет собой пакет, набранный из штампованных листов электротехнической, обычно текстурованной стали толщиной 0,35 мм и меньше, с низкими потерями (в составе стали имеется кремний до 4,5 %, увеличивающий ее электрическое сопротивление). Для уменьшения потерь на вихревые токи листы пакета стали берутся тонкими (0,15–0,2 мм) и изолированными друг от друга лаком (в теплостойком варианте – кремнийорганическим). Используются, как правило, стали марок Э44, Э330 и Э340. По конструкции магнитопровода трансформаторы разделяются на стержневые и броневые, а по способу сочленения стержней с ярмами различают стыковую и шихтованную конструкции магнитопровода (рис. 1.3 и 1.4).  Рис. 1.3. Стыковая (а) и шихтованная (б) конструкция стержневого магнитопровода При стыковой конструкции (см. рис. 1.3, а) стержни и ярма собирают отдельно, насаживают обмотки на стержни, а затем приставляют верхнее и нижнее ярма. После сборки всю конструкцию прессуют и стягивают шпильками. Стыковая конструкция, хотя и облегчает сборку магнитопровода, не получила распространения в силовых трансформаторах из-за громоздкости стяжных устройств и необходимости механической обработки стыкующихся поверхностей для уменьшения магнитного сопротивления в месте стыка.  При шихтованной конструкции магнитопровода (см. рис. 1.3, б и 1.4) стержни и ярма собираются в переплет. Такая конструкция имеет меньшее магнитное сопротивление, но имеется некоторая сложность сборки, так как для насадки обмоток на стержни приходится расшихтовывать верхнее ярмо, а затем после насадки обмоток вновь его зашихтовывать. Однофазные трансформаторы малой мощности выполняются, как правило, броневыми. У них магнитопровод набран из Ш-образных листов (см. рис. 1.4). Причем сердечник имеет сечение, большее, чем ярмо, так как магнитный поток в ярме почти в два раза меньше, чем в сердечнике. Обе обмотки располагаются на среднем стержне, а крайние стержни закрывают (бронируют) обмотки (рис. 1.5, а).  Рис. 1.5. Размещение обмоток однофазного трансформатора броневого и стержневого типа Однофазные трансформаторы большой мощности делаются стержневыми. Их магнитопровод набирается из П-образных листов стали. На каждом сердечнике располагаются по половине первичной и вторичной обмоток (рис. 1.5, б). В настоящее время магнитопроводы силовых трансформаторов изготавливают из холоднокатаной электротехнической стали, у которой магнитные свойства вдоль направления прокатки лучше, чем поперек (текстурованная сталь). Эта сталь используется в виде лент, из которых изготавливают витые сердечники (рис. 1.6). Штампованные же магнитопроводы используются все реже. Этому способствует еще и то, что переход от штампованных магнитопроводов к разрезным ленточным дает экономию в расходе стали до 50 % (за счет массы магнитопровода – 25 % и исключения отходов стали при штамповке – 25 %). Помимо этого сокращается расход меди и получается экономия за счет исключения операции шихтовки при сборке трансформатора и организации механизированного производства. По конструкции ленточные магнитопроводы бывают: броневые (рис. 1.6, а), стержневые (рис. 1.6, б), для трехфазных трансформаторов (рис. 1.6, в) и тороидальные (рис. 1.6, г). На рис. 1.6 показаны витые разрезные магнитопроводы (кроме тороидального, который обычно не разрезают).   Рис. 1.6. Ленточные витые магнитопроводы Варианты выполнения трансформаторов на разрезных ленточных магнитопроводах приведены на рис. 1.7.  Рис. 1.7. Конструкции трансформаторов на витых ленточных магнитопроводах: а – броневая; б – стержневая двухкатушечная; в – стержневая однокатушечная 1.2 Режимы холостого хода и короткого замыкания 1.3 Работа трансформатора под нагрузкой Контрольные вопросы к лекции |