Электрические машины

Электрические машины.

Статьи по теме
Искать по теме

В общем случае вторичная система переменного тока может отличаться любыми параметрами: величиной напряжения и тока, числом фаз, формой кривой напряжения (тока), частотой. Наибольшее применение в электротехнических установках, а также в энергетических системах передачи и распределения электроэнергии имеют силовые трансформаторы, посредством которых изменяют величину переменного напряжения и тока. При этом число фаз, форма кривой напряжения (тока) и частота остаются неизменными. Строго говоря, трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не происходит превращения одного вида энергии в другой, а электрическая энергия одного напряжения. Однако физические процессы, происходящие в трансформаторе, имеют много общего с процессами, происходящими во вращающихся электрических машинах. Аналогичны и уравнения, описывающие эти процессы. Поэтому теорию трансформаторов целесообразно рассматривать совместно с теорией электрических машин.

В энергетической системе трансформатор является важнейшим элементом. Передача большой мощности на дальние расстояния практически может быть осуществлена только при относительно небольшом значении тока и, следовательно, при высоком напряжении.

В начале линии электропередачи устанавливаются трансформаторы, повышающие напряжение переменного тока, вырабатываемого на электрических станциях. В конце линии электропередачи устанавливаются понижающие напряжение трансформаторы, так как для распределения энергии по потребителям необходимы сравнительно низкие напряжения.

Благодаря промышленному освоению новых магнитных и конструкционных материалов, применению интенсивных систем охлаждения, совершенствованию технологии электромашиностроения заметно улучшаются массогабаритные и энергетические показатели трансформаторов.

Восьмидесятые годы прошлого столетия вошли в историю техники под названием периода "трансформаторных битв". Такое необычное название они получили потому, что изобретение трансформатора явилось одним из сильнейших аргументов в пользу переменного тока. А настоящая битва шла между сторонниками постоянного и переменного токов и отражала поиски путей выхода из назревшего энергетического кризиса, связанного с проблемой централизованного производства электроэнергии и передачей её на большие расстояния.

Схематичное изображение будущего трансформатора впервые появилось в 1831 году в работах Фарадея и Генри. Однако ни тот, ни другой не отмечали в своем приборе такого свойства трансформатора, как изменение напряжений и токов, то есть трансформирование переменного тока.

В 1836 году ирландский физик Николас Каллан изобрел индукционную катушку. В 1838 году это изобретение повторил американский изобретатель Чарльз Пейдж, но наибольшую известность получил немецкий механик Генрих Румкорф, именем которого впоследствии стали называть индукционную катушку.

П.Н. Яблочков отчетливо понял роль индукционной катушки как средства электрического разделения цепей переменного тока. Даже самим фактом патентования системы "дробления света" во многих странах он так подчеркивал важность нового предложения. Бобины, как их тогда называли, имели одинаковое число витков в первичной и вторичной обмотках, стальной сердечник был разомкнутым и представлял собой стержень, на который наматывались обмотки.

Становилось все яснее, что система электроснабжения на постоянном токе не имеет перспектив. Из опыта эксплуатации дуговых источников света было установлено оптимальное напряжение ПО В. Радиус электроснабжения не превышал нескольких сотен метров. И основным направлением развития электроэнергетики становилась система переменного тока.

Новым шагом в использовании трансформаторов с разомкнутым сердечником для распределения электроэнергии явилась "система распределения электричества для производства света и двигательной силы", запатентованная во Франции в 1882 году Голяром и Гиббсом. Трансформаторы Голяра и Гиббса предназначались уже для преобразования напряжения, то есть имели коэффициент трансформации отличный от единицы. Трансформаторы с разомкнутым сердечником в 1883 году устанавливаются на подстанциях Лондонского метрополитена, а 1884 году – в Турине (Италия). Первые трансформаторы с замкнутыми сердечниками были созданы в Англии в 1884 году братьями Джоном и Эдуардом Гопкинсон. Сердечник этого трансформатора набран был из стальных полос или проволок, разделенных изоляционным материалом, что снижало потери на вихревые токи. На сердечнике помещались, чередуясь, катушки высшего и низшего напряжения.

Впервые предложения о параллельном включении трансформаторов высказал Р. Кеннеди в 1883 году, но более всесторонне этот способ соединения был обоснован венгерским электротехником Максом Дери, который в 1885 году получил патент на параллельное включение первичных и вторичных обмоток трансформаторов и показал преимущество такого включения. Независимо от него аналогичный патент в Англии получил С.Ц. Ферранти.

Передача электрической энергии переменным током высокого напряжения оказалась возможной после создания однофазного трансформатора с замкнутой магнитной системой. Такой трансформатор в нескольких модификациях (кольцевой, броневой и стержневой) был разработан в 1885 году венгерскими электротехниками М. Дерри, О. БлатииК. Циперновским, впервые предложившими и сам термин трансформатор. Венгерские инженеры нашли оптимальное соотношение между расходом меди и стали в трансформаторах.

Русский инженер Доливо-Добровольский выступил с предложением применять для целей передачи и эксплуатации электроэнергии разработанную им систему трехфазного тока. Доливо-Добровольский показал, что в отношении передачи электроэнергии система трехфазного тока, по сравнению с системой двухфазного тока, является более экономичной, но решающее преимущество трехфазной системы он видел "в превосходных качествах" разработанных им трехфазных асинхронных двигателей. В этом направлении он провел огромную творческую работу: доказал, что при помощи трехфазного тока можно создать в машине такое же вращающееся магнитное поле, как и при помощи двухфазного тока, разработал основные модификации трехфазного асинхронного двигателя. Параллельно с этим Доливо-Добровольский разработал конструкцию трехфазного трансформатора сначала, в 1890 г., с расположением сердечников по кругу и кольцевыми ярмами, а затем с обычным в настоящее время расположением стержней в одной плоскости. Атак как, кроме этого, Доливо-Добровольский много работал в области теории, расчета и конструирования электрических машин, то можно сказать, что он разработал собственно все элементы трехфазной системы. Предложенная Доливо-Добровольским система трехфазного тока вызвала живейший интерес и привлекла к себе повсеместное внимание. Несмотря на ряд возражений, ее технические достоинства были настолько велики и очевидны, что уже в ближайшее время она заняла ведущее место в ряду других систем. Асинхронные машины относятся к электрическим машинам переменного тока. Они почти исключительно используются в качестве электрических двигателей. Асинхронные генераторы переменного тока применяются относительно редко. Для этих целей служат более совершенные синхронные машины.

Мощность асинхронных машин колеблется в широких пределах – от долей ватта до многих тысяч киловатт.

Они впервые были предложены и конструктивно разработаны в 1889 г. выдающимся изобретателем, инженером и ученым Доливо-Добровольским М.О. Благодаря повышенной надежности в работе, простоте ухода и дешевизне трехфазные асинхронные машины получили широкое применение в современных силовых установках; их используют в качестве двигателей различных станков, насосно-компрессорных, кузнечно-прессовых, подъемно-транспортных и других машин и механизмов.

Все электрические генераторы переменного тока, установленные на тепловых и гидроэлектрических станциях, являются синхронными машинами. Синхронные машины применяются как двигатели в приводах большой мощности. На металлургических заводах, в шахтах, холодильниках они приводят в движение насосы, компрессоры, вентиляторы и другие механизмы, работающие с неизменной скоростью. Специальные синхронные двигатели малой мощности используются в устройствах, где требуется строгое постоянство скорости: электрочасы, автоматические самопишущие приборы, устройства программирования и т.п.

Генераторы и двигатели постоянного тока применяются в различных областях техники. Преимуществами двигателей постоянного тока перед двигателями переменного тока являются удобство регулирования в широких пределах скорости вращения и больший момент, развиваемый при пуске. Благодаря этому они применяются в качестве тяговых двигателей электровозов, троллейбусов, трамваев, а также крановых установок.

Приведем некоторые данные двигателей постоянного тока, применяемых на транспорте. Мощность двигателей трамвайных вагонов составляет 40-45 кВт, напряжение 550 В. Двигатели электропоездов пригородных железных дорог имеют мощность 150-200 кВт, напряжение 1500В, а двигатели электровозов 450 – 550 кВт, напряжение 3 кВ.

КПД машин постоянного тока зависит от их мощности. Например, при мощности 100 Вт КПД составляет 62 %, а при мощности 100 кВт – 94 %. Список литературы

Кислицин А.Л. Трансформаторы. – Ульяновск: УлГТУ, 2001.

Электрические машины. / Сост.: Ю.А. Рылов, Р.Б. Рыбаков, И.З. Гатиятов – Казань: КГЭУ, 2010.