Материал: Лекция 01 Введение
Основная литература, введение
1.Беспалов, Виктор Яковлевич.
Электрические машины: учеб. пособие.; Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники/ В. Я. Беспалов, Н. Ф. Котеленец.- М.: Академия, 2006.-320 с 2. Гольдберг, Оскар Давидович.
Электромеханика: учебник. Допущено Учебно-методическим объединением по образованию в области энергетики и электротехники в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки 140200 «Электроэнергетика»/ О. Д. Гольдберг, С. Ф. Хелемская. – М.: Академия, 2007. – 504 с.
3. Вольдек, Александр Иванович.
Электрические машины. Машины постоянного тока и трансформаторы. учебник. Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и «Электроэнергетика»/А. И. Вольдек, В. В. Попов. – М.: Питер, 2008. – 320 с.
4. Вольдек, Александр Иванович.
Электрические машины. Машины переменного тока. Учебник. Допущено Министерством образования и науки Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» и «Электроэнергетика»/А. И. Вольдек, В. В. Попов. – М.: Питер, 2008. – 340 с.
5.Копылов, Игорь Петрович. Электрические машины: учеб. для вузов.; Допущено МО РФ/ И.П. Копылов.-5-е изд., стер.-М.: Высшая школа, 2006.-607с.
6.Копылов И.П. Электрические машины – М.; Высш.шк. Логос; 2002.-607с
7.Подборский П. Э.
Электромеханика. Проектирование трансформаторов. Учебное пособие. П. Э. Подборский, Э. Н. Подборский. Абакан, 2011. 184 с.
8.Тихомиров П. М. Расчёт трансформаторов – М.: Энергоатомиздат, 1986.-524с.
9.Силин Л. Ф. ТРАНСФОРМАТОРЫ: Задачи по электрическим машинам: сборник задач
– Саяногорск: CШФ КГТУ, 2006. – 96 с.
10.Силин Л. Ф. Электрические машины. Асинхронные машины: сборник задач – Саяногорск: CШФ КГТУ, 2006. – 70 с.
11.Силин Л. Ф. Электрические машины. Синхронные машины: сборник задач – Саяногорск: CШФ КГТУ, 2006. – 43 с.
12.Силин Л. Ф. Электрические машины. Машины постоянного тока: сборник задач – Саяногорск: CШФ КГТУ, 2006. – 43 с.
13.Силин Л. Ф. Экзаменационные билеты по электромеханике
14.Толстихина Л. В. ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА. Часть 1. Трансформаторы. Асинхронные машины: Методические указания по выполнению лабораторных работ № 1 – 6.
15.Толстихина Л. В. ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА. Часть 2. Синхронные машины. Машины постоянного тока: Методические указания по выполнению лабораторных работ № 7 – 11.
16.Кацман М. М. Сборник задач по электрическим машинам. Учебное пособие.-5-е издание, -М.; Издательский центр «Академия»,2009. – 160 с.
Открытие основных законов теории электричества. Электротехническая наука и электромашиностроение принадлежат к молодым отраслям человеческого знания. Электромашиностроение насчитывает практически примерно 120 лет. Но за этот относительно небольшой период времени проделана огромная работа, преобразившая техническое и экономическое лицо современной промышленности и общественной жизни всего человечества.
Начиная с сороковых годов 19-го столетия, электротехника глубоко проникает в промышленность и быт, а за последние 30—40 лет ее прогресс стал особенно велик. Электрическая машина, являющаяся основным преобразователем механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току, а в ряде случаев по частоте, играла на всем историческом пути развития ведущую роль, которая определяла движение всей электротехники, особенно электротехники сильных токов.
Усовершенствования в электрической машине способствовали новым возможностям ее практического применения и служили сильными толчками для дальнейшего прогресса и самого разнообразного использования электрической энергии, поэтому электрической машине учеными и инженерами уделялось весьма большое внимание, и она быстрее приобрела техническую законченность своих конструктивных форм.
В основе современной электротехники лежат два тесно связанных физических явления — магнетизм и электричество.
Благодаря работам М. Фарадея, Д. Максвелла, Д. Генри, П. Барлоу , Б. Якоби, Э. Ленца и X. Эрстеда магнетизм и электричество могут рассматриваться как единый электромагнитный процесс, который по существу и лежит в основе электрических машин. Исходными положениями для создания электрической машины послужили: открытие Эрстедом в 1820 г. явления электромагнетизма и открытие Фарадеем в 1822 г. электромагнитного вращения. Опыты М. Фарадея, описанные в его трактате 1822 г., показывают принцип преобразования электрической энергии в механическую. П. Барлоу в 1824 г. дал первую принципиальную модель электродвигателя (рис. В-1).М. Фарадей в 1831 г. открыл явление электромагнитной индукции. Э. Ленц и Б. Якоби в 1833 и 1847гг.сформулировали принцип обратимости процесса электромагнитного вращения и электромагнитной индукции, т. е. принцип обратимости электрических машин. Продолжительный период времени электрический генератор и электрический двигатель развивались самостоятельно, и только в 70-х годах XIX в. пути их развития объединились.
Этапы развития электромашиностроения. Генераторостроение. Первыми генераторами электрической энергии были гальванические элементы,дававшие постоянный ток, поэтому физики и химики первой половины XIX в., оперировавшие с гальваническими батареями и построившие ряд приборов и аппаратов, работавших от гальванических батарей, стремились и от электрической машины получить постоянный ток.
Первый период развития электрического генератора, в течение которого он приобрел все основные черты современной машины, охватывает промежуток времени с 1831 по 1886 г. За этот период электрическая машина постоянного тока прошла четыре этапа развития:
Первый этап охватывает 1831—1851 гг. За это время электрическая машина из демонстрационного механизма физических и химических кабинетов развилась до промышленной модели, примененной для целей электрохимии и освещения.
Рис. В-1. Первая модель |
Рис. В-2. Магнитоэлектрическая машина |
электродвигателя П. Барлоу |
В. Риччи с вывернутым коллектором |
с вывернутым коллектором |
|
Первая техническая модель магнитоэлектрического генератора была построена вскоре после открытия М. Фарадеем закона электромагнитной индукции. Автор модели остался не известен, скрыв свое имя под инициалами П. М.. Этот автор построил модель многополюсной синхронной машины переменного тока с постоянными магнитами, дал идею кольцевого якоря и впервые током магнитоэлектрической машины разложил воду. Основные черты машины П. М. были настолько правильны, что на много лет опередили конструкции машин позднейших изобретателей. После этого начали быстро развиваться синхронные генераторы переменного тока с постоянными магнитами.
В 1832 г. сыновьями изобретателя физических приборов Пикси была построена вращающаяся магнитоэлектрическая машина, к которой было приспособлено коромысло Ампера, выпрямлявшее индуктированный в обмотках переменный ток в пульсирующий ток постоянного направления.
В 1833 г. английский физик В. Риччи построил магнитоэлектрическую машину с вывернутым коллектором, от которой также можно было получить пульсирующий ток. На рис. В-2 дан сделанный Риччи чертеж его машины.
До 1840 г. различные изобретатели строили магнитоэлектрические машины, являющиеся модификациями двухполюсной схемы Пикси с различными конструкциями механизмов для выпрямления тока. Среди них следует отметить машину Э. Кларка (рис.
В-3).
Рис. В-3. Магнитоэлектрическая |
Рис. В-4. Магнитоэлектрическая машина фирмы |
машина Э. Кларка |
«Альянс», сконструированная Хольмсом |
Предельной конструкцией магнитоэлектрической машины переменного тока этого периода является машина фирмы «Альянс» (рис. В-4), сконструированная Хольмсом (1855 г.) и применявшаяся для освещения маяков, зданий и для электрохимических целей. Машина Хольмса получила одобрение видевшего ее М. Фарадея.
Характерной чертой второго этапа, к которому следует отнести промежуток времени с 1851 по 1867 г., является переход к машинам с возбуждением электромагнитами. Впервые на возможность применения электромагнитов в машинах указал Риччи в 1833 г. С 1861 до 1867 г. Г. Уайльд технически разрабатывает идею использования в машинах электромагнитов с питанием их от магнитоэлектрической машины.
К этому же периоду времени относится изобретение В. Сименсом двух-Т-образного якоря, запатентованного им в 1856 г., и изобретение Пачинотти кольцевого якоря, построенного в 1860 г. Якорь Сименса улучшил работу магнитоэлектрической машины и стал предвестником зубчатого цилиндрического якоря.
Кольцевой-якорь с пазами, построенный Пачинотти, явился огромным шагом вперед. Но вследствие плохой взаимной информации ученых и техников того времени и низкого уровня промышленного развития Италии изобретение Пачинотти не нашло применения, и к нему вернулись через 10 лет в связи с предложением 3. Грамма.
Третий этап развития характеризуется открытием принципа самовозбуждения и охватывает промежуток времени с 1867 по 1871 г. Принцип самовозбуждения был открыт и совершенно отчетливо сформулирован еще в 1851 г. С. Хиортом, который в 1855 г. построил генератор с самовозбуждением.
В 1867 г. В. Сименс и Ч. Уитстон выступили с предложениями принципа самовозбуждения, а в том же году Максвелл представил Английскому королевскому обществу теоретический доклад о принципе самовозбуждения. В. Сименс, обладая чрезвычайно большой предприимчивостью и техническим предвидением, практически реализовал принцип самовозбуждения и тем самым способствовал мощному развитию электрической машины.
Четвертый этап, явившийся этапом разработки основных элементов конструкции современной электрической машины, охватывает 15 лет — с 1871 по 1886 г. За это время машина постоянного тока приобрела все основные черты современной конструкции. Первым решительным сдвигом в этом направлении было практическое внедрение французским изобретателем Граммом кольцевого якоря Пачинотти (рис. В-5).
Рис. В-5. Кольцевой
якорь Пачинотти Рис. В-6.Машина Грамма
Машина Грамма (рис. В-6) была первой промышленной моделью с самовозбуждением, успешно работавшей в эксплуатации.
В 1872 г. Ф. ГефнерАльтенек предложил разработанный им барабанный якорь, явившийся дальнейшим развитием якоря Сименса и якоря Пачинотти—Грамма.
Рис. В-7. Электрическая машина с барабанным якорем, предложенным Ф. ГефнерАльтенеком
В 1882 г. Э. Вестон взял патент на двухслойную обмотку для якорей машины постоянного тока. В 1880 г. появилось предложение Т. Эдисона делать якоря машин из листовой стали толщиной 0,4—0,8 мм. Эта конструкция сохранилась в машинах и до наших дней. В 1883 г. Дж. Крег предложил штампованные из листового материала
сердечники полюсов для улучшения коммутации. В это же время идет разработка теории электрической машины и производятся исследования различных физических процессов в электрических машинах. В 1886 г. появляется исследование братьев Дж. и Э. Гопкинсон, в котором дается методика расчета магнитной цепи.
В 1876 г. П. Н. Яблочков совместно с заводом Грамма разработал конструкцию однофазного синхронного генератора для питания изобретенных им свечей переменным током. По своему принципу этот генератор послужил прототипом современных синхронных машин.
Дальнейшее совершенствование синхронных генераторов связано с широким использованием системы трехфазного переменного тока, получившей развитие в конце прошлого столетия благодаря работам замечательного ученого и инженера М. О. ДоливоДобровольского.
Развитие электродвигателей. Параллельно с разработкой генераторов шла разработка электрических двигателей. До 1860—1870 гг. пути развития электродвигателя и генератора были независимы друг от друга. Принцип превращения электрической энергии в механическую, сформулированный в 1822 г. М. Фарадеем, послужил началом конструирования электродвигателя.
Первый период развития электродвигателя с 1822 по 1883 г. может быть разбит на три этапа.
Первый этап, с 1822 по 1834 г. характеризуется построением физических моделей, которые подтверждали принципиальную возможность преобразования электрической энергии в механическую.
Рис. В-8. Модель электродвигателя Ч. Пэджа с возвратнопоступательным движением
Многие ученые и изобретатели стремились в своих двигателях повторить механическую схему работы паровой машины с возвратно-поступательным движением (рис. В-8), следствием чего явились машины, построенные на принципе втягивания железного стержня внутрь соленоида. Примерами таких двигателей являются электродвигатель Д. Генри и позднее, в 1846 г., электродвигатель профессора Ч. Пэджа. По этому принципу (рис. В-8) Ч. Пэджу удалось осуществить в 1851 г. машину мощностью 16 л. с. Поставленный на локомотив и получавший питание от батареи гальванических элементов Грове, двигатель позволил развить скорость до 30 км/ч, чем было положено начало электрической тяге. Переключение направления тока в соленоидах электродвигателя осуществлялось, по аналогии с золотниковым устройством паровой машины, посредством кулачка, переключавшего направление подачи пара на поршень.
Второй этап, с 1834 г. по 1867— 1870 гг., характеризуется попытками построить электродвигатели для практического применения с питанием также от гальванических элементов. В мае 1834 г. русский ученый академик Б. С. Якоби создал многополюсный электродвигатель с вращательным движением якоря, который имел приспособление для переключения тока, являющееся прототипом современного коллектора (рис. В-9).