Лотоцкий - Электрические машины и основы электропривода (1964)

ОТ ИЗДАТЕЛЬСТВА

В учебном пособии излагаются основные сведения по электрическим машинам постоянного и переменного тока, трансформаторам, а также основы теории  электропривода. Приведены примеры решения основных типов задач по электрическим машинам с использованием международной системы единиц (СИ), а для  самопроверки даны контрольные вопросы. В пособие включены лабораторные работы, предусмотренные программой курса.

Книга написана в соответствии с программой курса «Электрические машины и электропривод» и  предназначается в качестве учебного пособия для учащихся техникумов электрификации сельского хозяйства. Пособие может быть использовано учащимися  заочных техникумов и электриками, обслуживающими электрические машины.

ВВЕДЕНИЕ

История развития электрических машин насчитывает более ста лет. Значительную роль в развитии науки об электрических машинах сыграло открытие английским ученым М. Фарадеем в 1831 г. закона электромагнитной индукции. Открытие явления электромагнитной индукции сразу же приобрело огромное научное и практическое  значение и легло в основу всей современной электротехники. В 1833 г. русский ученый академик Э. X. Ленц обобщил открытый М. Фарадеем закон электромагнитной индукции, сформулировав его в виде известного в физике правила Ленца. Ленц открыл принцип обратимости  преобразования электрической энергии в механическую,  исследовал зависимость между количеством тепла, выделяющимся при прохождении тока через проводник, и силой тока, известную в физике как закон Ленца—Джоуля, объяснил явление реакции якоря, заложив этим основы теории электрических машин.

Русский ученый академик Б. С. Якоби в 1834 г.  изобрел первый в мире двигатель постоянного тока,  построенный по принципу вращательного движения, а в 1838 г. практически применил его для привода в движение лодки. В своих работах по минному делу Якоби применял  индукционную катушку. Якоби изобрел коллектор для  выпрямления тока, открыл появление обратной э. д. с. при  вращении якоря электродвигателя. В 1852 г. немецкий электротехник Г. Д. Румкорф  построил индукционную катушку, применив в ней принцип трансформации электроэнергии. В 1860 г. итальянский физик А. Пачинотти изобрел и построил электрический двигатель постоянного тока с кольцевым якорем.

В 1870 г. французский изобретатель 3. Т. Грамм  построил электрический генератор с кольцевым якорем, а в 1873 г. немецкие электротехники Ф. Гефнер—Альтенек и Э. Сименс сконструировали электрическую машину с барабанным якорем. Профессор Московского университета А. Г. Столетов в 1872 г. исследовал магнитные свойства стали, построил кривые намагничивания, заложив основы теории расчета магнитных цепей электрических машин. В 1876 г. русский изобретатель П. Н. Яблочков  изобрел трансформатор с разомкнутым стальным  сердечником, который применил для питания «свечей Яблочкова». Яблочков является основоположником применения  переменного тока в практической электротехнике. В 1888 г. итальянский физик Г. Феррарис опубликовал статью об открытии явления вращающегося магнитного поля, которое лежит в основе принципа действия  двигателей переменного тока. Одновременно с Феррарисом сербский изобретатель Н. Тесла открыл явление  вращающегося магнитного поля и построил двухфазный  асинхронный электродвигатель.

Началом практического применения переменного тока следует считать 1889 г., когда выдающийся русский изобретатель М. О. Доливо-Добровольский построил первый в мире трехфазный асинхронный двигатель и трехфазный трансформатор. В 1891 г. Доливо-Добровольским была сооружена первая линия электропередачи трехфазного переменного тока протяженностью 175 км при напряжении 15 000 в с применением трехфазных трансформаторов. Электрическая энергия передавалась из города Лауфена во Франкфурт-на-Майне, где на Всемирной электротехнической выставке демонстрировался изобретенный Доливо-Добровольским трехфазный асинхронный двигатель. М. О. Доливо-Добровольский изобрел систему трехфазного тока, разработал способы соединения обмоток в звезду и  треугольник, двигатель с двойной беличьей клеткой,  синхронный компенсатор и многое другое. Работы Доливо- Добровольского, одного из одареннейших русских  инженеров, обусловили быстрый прогресс электротехники переменного тока и бурное развитие промышленного электропривода.

В дореволюционной России электромашиностроение было развито слабо. Отдельные заводы, в большинстве своем являвшиеся сборочными, принадлежали  иностранным фирмам (Сименс-Шуккерт, АЕГ и другие),  электрические машины собирались из деталей, доставленных из-за границы. После Великой Октябрьской социалистической  революции советское электромашиностроение начало быстро развиваться, были построены мощные  электромашиностроительные заводы в Москве, Ленинграде, Харькове и других городах страны. В настоящее время в нашей стране имеется большое количество электромашиностроительных заводов, которые выпускают крупнейшие в мире турбогенераторы,  гидрогенераторы и трансформаторы. Выпускается большое количество электродвигателей, трансформаторов,  пусковой аппаратуры. XXII съезд КПСС — съезд строителей коммунизма принял грандиозную программу строительства  коммунистического общества. Поставлена задача в течение ближайших двух десятилетий создать материально- техническую базу коммунизма — это главная  экономическая задача, основа генеральной линии нашей  партии.

Программой КПСС намечено к 1980 г. довести годовое производство электроэнергии довести до 2700—3000 млрд. квт.ч, т. е. увеличить почти в 10 раз по сравнению с  производством электроэнергии в настоящее время. Будет создана Единая Энергетическая Система СССР (ЕЭС), в которую будут включены все электростанции страны. Это позволит повысить коэффициент  использования оборудования электростанций и их коэффициент полезного действия, даст возможность перебрасывать большое количество электроэнергии из одного района в другой.

Партия считает одной из важнейших задач быструю электрификацию сельского хозяйства. Все совхозы и колхозы будут обеспечены электроэнергией для производственных и бытовых целей от  государственных .энергетических систем, а также путем строительства сельских электростанций. Сплошная электрификация страны даст огромные  возможности для повышения производительности труда, для комплексной механизации и автоматизации  производственных процессов, а это генеральная линия нашего технического прогресса.

Раздел первый

МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Глава I

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И УСТРОЙСТВО МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

§ 1. Основные законы электротехники в применении к теории электрических машин В основе принципа действия 'электрических машин лежит закон электромагнитной  индукции. Согласно этому  закону, в проводнике,  перемещающемся относительно  магнитного поля в плоскости, перпендикулярной к  направлению магнитных силовых линий, индуктируется  электродвижущая сила — э. д. с. (рис. 1).

Направление э. д. с. в проводнике определяют по правилу правой руки. Если ладонь правой руки расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии поля были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90°, показывал  направление движения проводника, то остальные пальцы,  вытянутые в плоскости ладони, покажут направление  индуктированной в проводе э. д. с. (рис. 2).Направление э. д. с. и тока в проводе от нас условились обозначать в сечении провода знаком креста (+), а к нам — точкой (.) (рис. 3). Существует вторая формулировка закона  электромагнитной индукции, согласно которой индуктируемая в контуре э. д. с.  пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф,  пронизывающего контур. Если магнитный поток Ф в контуре уменьшается, то направление тока таково, что созданный им магнитный поток стремится увеличить магнитный поток Ф,  пронизывающий контур, а если магнитный поток Ф в контуре увеличивается, то,  наоборот, ток в контуре  создает магнитный поток, направленный против  магнитного потока Ф.

Направление  магнитных силовых линий вокруг провода с током  определяют по правилу буравчика: если  буравчик ввинчивать в  проводник по направлению тока, то направление его  вращения укажет направление магнитного поля, созданного током (рис. 4). Принцип действия электродвигателя основан на  взаимодействии магнитных полей полюсов и проводников, по которым протекает ток. Если ток в проводе идет от нас (рис. 5), то, по правилу буравчика, магнитные силовые линии вокруг проводника Рис 3. Условное обозначение направления э д. с. и тока в проводнике направлены по часовой стрелке. В результате сложения магнитных полей полюсов и проводника усилится  магнитное поле справа от  проводника и ослабится слева от него.

К проводнику будет приложена сила, выталкивающая его в сторону ослабленного магнитного поля,  т. е. влево. Направление действия силы F на проводник  может быть определено по правилу левой руки: если поместить левую руку в магнитном поле так, чтобы в ладонь входили  магнитные силовые линии, а вытянутые пальцы  показывали направление тока в проводнике, то большой палец, отогнутый в  плоскости ладони на 90°,  будет показывать направление действия электромагнитной силы F на проводник (рис. 6).

Из рассмотренных основных законов  электротехники можно сделать вывод, что электрические машины обратимы, т. е. если в магнитном поле вращать виток, то в нем будет индуктироваться э. д. с, а если пропускать по витку ток, то виток будет вращаться в магнитном поле.

§ 2. Принцип действия генератора постоянного тока

Рассмотрим принцип действия простейшего генератора, выполненного из одного витка, вращаемого по часовой стрелке в магнитном поле. Между двумя полюсами  поместим виток, намотанный на стальной цилиндр (рис. 7). Концы витка  присоединены к двум кольцам, на которых установлены  неподвижные щетки А и Б. Силовые линии  направлены радиально по  отношению к стальному  цилиндру, причем полюса имеют такую форму, что  магнитная индукция в воздушном зазоре между полюсами и стальным цилиндром распределена  синусоидально. Зазор между  полюсами и цилиндром  неодинаков: между  серединой полюса и цилиндром зазор меньше, чем между краями полюсов и цилиндром. При такой конструкции направление движения проводника везде  перпендикулярно к направлению магнитных силовых линий.

При вращении витка в нем индуктируется э. д. с,  синусоидальная по форме кривой, так как магнитная  индукция в зазоре синусоидальна. Когда виток абвг расположен горизонтально, индуктируемая в нем э. д. с. равна нулю, так как стороны витка движутся в пространстве, где магнитная индукция равна нулю. При вертикальном положении витка его стороны движутся в поле с  максимальной магнитной индукцией, поэтому и э. д. с. имеет максимальное значение. Когда провод аб проходит под северным полюсом, э. д. с. в этом проводе направлена от нас; если провод аб проходит под южным полюсом, то э. д. с. в проводе изменяет свое направление, таким образом, в витке индуктируется переменный ток. Для выпрямления тока применяют коллектор.  Простейший коллектор — это два изолированных полукольца, к которым присоединяют концы витка (рис. 8). Щетки на коллекторе  устанавливают так, чтобы они  переходили с одного  полукольца на другое, когда индуктируемая э. д. с. в витке равна нулю.

Щетка А  соприкасается всегда с тем  полукольцом, провод от которого проходит под северным полюсом, а щетка Б с  полукольцом, провод от  которого проходит под  южным полюсом. Поэтому во внешней цепи ток течет в одном направлении от щетки Б к щетке А. Щетка, с которой ток стекает в сеть, имеет знак плюс (+), а к которой ток притекает, — знак минус (—). Выпрямленный ток пульсирует. При одном витке величины э. д. с. и тока изменяются от нуля до  максимума. Для уменьшения пульсации на барабан наматывают большое число витков. Рассмотрим простейший генератор с двумя витками, намотанными на стальное кольцо (рис. 9, а), каждый виток присоединяют к паре  коллекторных пластин так, чтобы цепь обмотки была замкнутой. Оба витка как источники э. д. с. оказываются  включенными параллельно, и э. д. с. на щетках определяется величиной э. д. с. одного витка, ток же в цепи нагрузки может быть в 2 раза больше, чем при одном витке. Кривая выпрямленного тока и э. д. с. имеет такой же вид, как и при одном витке (рис. 8). Если на стальном кольце расположить четыре витка, увеличив число коллекторных пластин до четырех так, чтобы цепь обмотки была замкнутой системой (рис. 9, б), то кривые э. д. с. витков 1 и 2 будут сдвинуты по фазе на 90° (рис. 10).

Стальное кольцо с намотанными на него витками  называют кольцевым якорем. Так как величина э. д. с. на щетках кольцевого якоря определяется величиной э. д. с. в одной ветви с витками 1 и 2, то для получения  суммарной э. д. с. на щетках  сложим мгновенные значения э. д. с. витков 1 и 2. На  рисунке 10, а показаны кривые э. д. с. витков 1 и 2 до  выпрямления их коллектором, а на рисунке 10, б — после  выпрямления. Жирной линией на  рисунке 10, б показана суммарная э. д. с. на щетках машины. Суммарная э. д. с. кольцевого якоря с четырьмя витками имеет меньшую пульсацию, чем э. д. с. кольцевого якоря с двумя витками. Для  получения э. д. с. с очень малой  пульсацией на якорь наматывают большое число витков, а коллектор делают из большого числа пластин. Так, например, при коллекторе из 16  пластинок при двух полюсах  пульсация э. д. с. составит менее 1 %. Существуют и  бесколлекторные машины постоянного тока, например униполярные. Если в магнитном поле с  помощью рукоятки вращать  металлический диск, в нем будет индуктироваться э. д. с. (рис. 11). Применив правило правой руки, можно убедиться, что при вращении рукоятки по часовой стрелке э. д. с. будет  направлена от оси диска к его  периферии. Если к щеткам,  установленным на оси и по окружности диска, присоединить нагрузку, то в цепи пойдет ток от плюса к минусу.

В настоящее время имеются униполярные машины на сравнительно большие токи (до 150 000 а). Униполярные машины сейчас почти не применяются, поэтому подробно их устройство мы не рассматриваем.

§ 3, Устройство машины постоянного тока Машина постоянного тока состоит из следующих  основных частей: станины, полюсов, якоря с коллектором, подшипниковых щитов с подшипниками,  щеткодержателей со щетками (рис. 12).

Станина машины — это замкнутый магнитопровод, обычно выполненный из стали. К внутренней части станины прикрепляют главные и дополнительные полюса. В нижней наружной части станина имеет лапы, при  помощи которых машину крепят на фундаменте. К бокам станины прикреплены подшипниковые щиты (рис. 13), в которых установлены подшипники скольжения или качения. В современных быстроходных машинах ставят подшипники качения (роликовые или шариковые). Главные полюса, прикрепляемые болтами к внутренней части станины, предназначены для  создания магнитного потока. Сердечники 4 (рис. 14) главных полисов изготовляют из  отдельных листов  электротехнической стали  толщиной 1 мм. Со стороны якоря сердечник  полюса имеет уширение 3, которое называется  полюсным  наконечником, или башмаком, и  служит для лучшего  охвата якоря полюсом. В машинах небольшой мощности сердечники полюсов выполняют из литой стали. На  сердечник полюса надевают катушку возбуждения 2, которую выполняют на стальном или картонном каркасе из  изолированного медного провода. В машинах небольшой  мощности обмотку возбуждения выполняют без каркаса.

Между главными  располагают добавочные полюса, назначение  которых объяснено в главе V, § 2 (рис. 15). Вращающуюся часть  машины постоянного тока, в  которой индуктируется э. д. с, называют якорем (рис. 16). Якорь набирают из  отдельных листов  электротехнической стали толщиной 0,5 мм, изолированных друг от друга слоем лака или бумаги толщиной 0,03—0,05 мм для уменьшения потерь от вихревых токов. Иногда изоляцией служит тонкий слой окиси. В состав листовой электротехнической стали,  применяемой для изготовления электрических машин и  трансформаторов, входит кремний (силиций). Присадка кремния увеличивает удельное электрическое сопротивление стали, что способствует уменьшению потерь на вихревые токи, но одновременно кремний ухудшает механические свойства стали, делает ее хрупкой, она после 1—2 перегибов  ломается.