Глава 1. Общие сведения об электрических машинах
1-1. Основные определения и классификация электрических машин
Электрические машины являются основными элементами электрических установок. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.
Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.
Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.
Электрическая машина имеет две основные части — вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором (рис. 1-1).
Рис. 1-1. Обычная конструктивная схема электрической машины,
1 — статор; 2 — ротор; 3 — подшипники.
К электрическим машинам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.
Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.
Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.
Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые — многофазный ток.
Машины постоянного тока, как правило, снабжаются коллектором, который здесь служит для получения на щетках машины э. д. с., постоянно действующей в одном направлении. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.
Находят себе применение также асинхронные коллекторные машины переменного тока. Их ротор выполняется так же, как ротор машины постоянного тока. Они в отличие от бесколлекторных асинхронных машин позволяют плавно и экономично регулировать их скорость вращения. Однако область их применения весьма ограничена вследствие их высокой стоимости, сложности ухода за ними и относительно малой надежности в работе.
Приведенная здесь вкратце практическая классификация электрических машин не исчерпывает всего их многообразия. В дальнейшем при рассмотрении машин переменного и постоянного тока мы будем обращаться к различным их видам, различающимся как по назначению, так и по выполнению.
1-2. Принцип действия электрической машины и трансформатора
Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома, Джоуля-Ленца и магнитной цепи можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. Обратимся для этого к рис. 1-2. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле между полюсами помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э.д.с.
, (1-1)
где В — индукция в месте, где находится проводник;
l — активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле;
v —скорость движения проводника относительно поля (если индукция B выражена в В·с/см2, l—в сантиметрах, v—в см/с, то получим э. д. с. e в вольтах; если B выражена в гауссах, то для получения e в вольтах надо правую часть (1-1) умножить на 10-8).
Рис. 1-2. К объяснению принципа действия электрических машин.
Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).
Рис. 1-3. Правило правой руки.
Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2.
В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила
, (1-2)
направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 1-4) (если B выражена в В·с/см2,
i — в амперах, l — в сантиметрах, то получим силу FЭМ, в Вт·с/см или в Дж/см; для получения FЭМ в килограммах надо правую часть (1-2) умножить на 10,2 и при B в гауссах — еще на 10-8).
Рис. 1-4. Правило левой руки.
При равномерном движении проводника к нему должна быть извне приложена механическая сила F, равная FЭМ, т. е.
F = FЭМ. (1-3)
Если умножить обе части равенства сил на скорость v, то получим равенство мощностей
Fv = FЭМ v. (1-4)
Подставляя в правую часть этого равенства FЭМ из (1-2) и v из (1-1), получим:
Fv = ei. (1-5)
Отсюда видим, что механическая мощность Fv в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность ei. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений
u = e – ir, (1-6)
где u — напряжение на зажимах внешнего сопротивления;
ir — падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление r.
Умножив это уравнение на i, получим:
ui = ei – i2r, (1-7)
где ui — электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности ei, полученной в результате преобразования механической мощности);
i2r — электрические потери в проводнике.
Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение u так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на рис. 1-2 направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится э. д. с. е, направленная против тока i и против напряжения u, в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение u должно уравновесить э.д.с. е и падение напряжения в проводнике ir, т. е.
u = e + ir. (1-8)
От уравнения напряжений (1-8), умножив его на i, перейдем к уравнению мощностей
ui = ei + i2r. (1-9)
В этом уравнении i2r — электрические потери в проводнике, ei — та часть подведенной электрической мощности ui, которая преобразуется в механическую мощность FЭМ v, так как, учитывая (1-1) и (1-2), мы можем написать:
ei = Blvi = FЭМ v. (1-10)
Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.
Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине.
Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.
При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения (рис. 1-1).
В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению с первым.
1-3. Материалы, применяемые для трансформаторов и электрических машин
Для изготовления трансформаторов и электрических машин применяются следующие материалы: конструкционные, «активные» и изоляционные.
Конструкционные материалы идут на изготовление тех частей и деталей машин и трансформаторов, которые служат главным образом для передачи и восприятия механических воздействий. В электрических машинах в основном применяются те же конструкционные материалы, что и в общем машиностроении: чугун (простой, ковкий), сталь (литая, кованая), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.
Активные материалы служат в качестве магнитных и проводниковых (токопроводящих) для создания в трансформаторах или машинах необходимых условий, в которых протекают электромагнитные процессы.
Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к ряду материалов предъявляются требования, относящиеся одновременно как к механическим, так и к магнитным и электрическим свойствам их.
Изоляционные материалы имеют своим назначением электрически изолировать токопроводящие части трансформаторов и машин от других их частей и друг от друга.
а) Магнитные материалы. Для сердечников трансформаторов применяется специальная электротехническая листовая сталь с относительно большим содержанием кремния (до 4—5%) толщиной обычно 0,5 или 0,35 мм при частоте переменного тока 50 Гц. При более высоких частотах тока, например при 300—400 Гц и выше, толщина стали выбирается 0,20 и 0,10 мм. В этом случае значительно снижаются потери от вихревых токов, наведенных переменным магнитным полем, имеющим место в сердечнике трансформатора.
Для изготовления отдельных частей магнитной системы электрических машин применяются различные ферромагнитные материалы: листовая электротехническая сталь различных сортов, чугун, стальное литье, листовая (конструкционная) сталь, кованая сталь.
Те части машины, где имеет место переменное магнитное поле, собираются из изолированных один от другого листов электротехнической стали с содержанием кремния до 2—3% обычно толщиной 0,5 мм.
Потери мощности в листовой стали от гистерезиса и вихревых токов характеризуются удельными потерями, т. е. потерями в 1 кг стали при частоте 50 Гц и синусоидальном изменении индукции при амплитуде, равной 10000 Гс. Они составляют для листовой стали, применяемой для нормальных машин, при толщине 0,5 мм — около 3 Вт/кг; для листовой стали с содержанием кремния до 4—5%, применяемой для трансформаторов, при толщине 0,5 мм — около 1,4— 1,5 Вт/кг, при толщине 0,35 мм — около 1,3—1,2 Вт/кг. Указанная листовая сталь называется горячекатаной (по способу изготовления). В последние годы она в ряде случаев вытесняется холоднокатаной листовой сталью, имеющей более высокие электромагнитные свойства (большее значение магнитной проницаемости и меньшие удельные потери). Холоднокатаная сталь в настоящее время широко применяется для трансформаторов и крупных электрических машин. Чугун применяется для частей магнитной системы крайне редко из-за его плохих магнитных свойств.
Стальное литье и кованая сталь, так же как и конструкционная листовая сталь, применяются для тех частей магнитной системы машин, в которых имеет место постоянное магнитное поле.
б) Проводниковые материалы. К ним относится прежде всего медь — сравнительно недорогой материал, имеющий малое удельное сопротивление.
Наряду с медью для проводников применяются также алюминий и иногда некоторые сплавы (латунь, фосфористая бронза). Медные и алюминиевые провода для обмоток трансформаторов и электрических машин изготовляются круглых и прямоугольных сечений с различными видами изоляции. Для изоляции применяются хлопчатобумажная пряжа, телефонная бумага, асбест, стеклопряжа, пластмассы, синтетические пленки, специальные эмалевые лаки.
Провода с хлопчатобумажной изоляцией широко применяются для нормальных трансформаторов и электрических машин.
Для машин небольшой и средней мощности (примерно до 300 кВт) на напряжения до 700 В часто выбираются провода с эмалевой изоляцией. Применяемые при этом нагревостойкие эмалевые лаки позволяют получить тонкое и вместе с тем достаточно надежное изоляционное покрытие проводов.
Важное значение для работы электрических машин имеют щетки. Они накладываются на вращающиеся кольца или коллектор, соединенные с обмоткой, помещенной на роторе. Таким образом, осуществляется скользящий контакт, посредством которого обмотка соединяется с внешней цепью.
в) Изоляционные материалы. Изоляцию нужно считать одним из основных элементов трансформатора и электрической машины. Она большой степени определяет их надежность в работе.
Нагревостойкость изоляционных материалов, примененных для изоляции обмоток, определяет допустимые температуры обмоток, а следовательно, и нагрузки активных материалов (плотность тока для проводников, индукция для стали). Большое значение имеют теплопроводность изоляции, а также ее влагостойкость и химическая стойкость.
Требуется также, чтобы изоляция обладала достаточной механической прочностью, так как в процессе изолировки обмоток, укладки их на сердечники трансформаторов или в машины, а также в условиях эксплуатации изоляция подвергается значительным механическим усилиям.
На первое место должна быть поставлена слюдяная изоляция. Она наилучшим образом удовлетворяет перечисленным выше требованиям. Исходным материалом здесь служит слюда. Из слюды, щипаной на мелкие пластинки, изготовляются миканиты, микаленты, микафолий. Миканиты представляют собой листы, состоящие из мелких пластинок слюды, склеенных между собой при помощи специальных лаков. Микалента. состоит из одного слоя тонкой щипаной слюды, оклеенной с двух сторон бумагой. Микафолий состоит из одного—трех слоев щипаной слюды, наклеенной на бумагу; изготовляется в виде листов. Вместо бумаги применяется также стеклоткань. Микалента и микафолий являются относительно дорогими изоляционными материалами и применяются главным образом для машин на высокие напряжения (от 3 000 В и выше).
Наиболее часто для изоляции применяются волокнистые материалы: бумаги, картоны, ленты, ткани и т. п. Их основные достоинства — высокая механическая прочность и гибкость и сравнительно низкая стоимость. Однако непропитанные волокнистые материалы обладают гигроскопичностью, плохой теплопроводностью и невысокой электрической прочностью. Поэтому они применяются для изоляции электрических машин только в пропитанном виде, что значительно улучшает их свойства.
Большое практическое значение получили кремнийорганические изоляционные материалы для покрытия проводников, предложенные и разработанные в СССР.
Для улучшения свойств изоляции электрических машин необходимо применение пропиточных и покровных лаков, а также компаундов — специальных масс из битумов, высыхающих масел и канифоли.
Современные трансформаторы, как правило, делаются масляными. Их сердечник с обмотками помещается в баке, заполненном специальным трансформаторным маслом. Исходными продуктами для его получения являются масляные дистилляты нефти.
Изоляционные материалы, применяемые в электрических машинах, по нагревостойкости разделяются на несколько классов. Из них наиболее часто применяются материалы классов А и В.
Класс изоляции А: хлопок, шелк, бумага и другие подобные органические материалы, пропитанные либо погруженные в масло, а также состав, называемый эмалью и применяемый при изготовлении эмалированной проволоки.
Класс изоляции В: изделия из слюды, асбеста, стеклянного волокна, содержащие вяжущие вещества.
Кроме классов изоляции А и В, в последние годы для электрических машин применяются классы изоляции Е, F и Н. Из них класс Е занимает промежуточное положение между классами А и В. К классам изоляции F и Н относятся наиболее нагревостойкие изоляционные материалы.
1-4. Режимы работы и номинальные величины
Режим работы электрической машины или трансформатора при условиях, для которых машина или трансформатор предназначены заводом-изготовителем, называется номинальным режимом работы. Он характеризуется величинами, указанными на заводском щитке машины или трансформатора и называемыми номинальными.
Обычно электрические машины и трансформаторы предназначаются для номинального продолжительного режима работы, при котором они могут работать с установившимися превышениями температуры их отдельных частей над температурой воздуха, не превосходящими допускаемых общесоюзными стандартами.
Другие номинальные режимы работы — кратковременный и повторно-кратковременный — характерны главным образом для электрических машин, работающих в условиях электрической тяги или обслуживающих подъемные краны, лифты, прессы и т. п.
1-5. Нагревание и охлаждение
Всякое преобразование энергии сопровождается потерями. В электрических машинах и особенно в трансформаторах потери относительно невелики, но от них зависят размеры машин и трансформаторов, а не только их коэффициент полезного действия (к.п.д.). Эти размеры рассчитываются таким образом, чтобы тепло, образующееся вследствие потерь в стали, в обмотках и на трение, могло быть отдано окружающей среде при некотором превышении температуры нагретых частей над температурой окружающей среды. Превышение температуры не должно быть больше определенных значений, зависящих от нагревостойкости примененных изоляционных материалов.
За температуру окружающей среды (воздуха) принимается условно температура 35° С. Допустимые превышения температуры над этой температурой при изоляции класса А принимаются равными 55—70° С; при изоляции класса В — 70—95° С; при изоляции классов Е, F и Н примерные допустимые значения превышений температуры соответственно равны: 70— 75, 90—105 и 115—130° С (указанные пределы допустимых значений превышения температуры зависят от выполнения обмоток и от способа измерения температуры).
Допустимые значения температуры, определенные на основании длительного опыта эксплуатации электрических машин и трансформаторов, соответствуют сроку службы изоляционных материалов примерно 20— 25 лет. Он заметно сокращается при увеличении температуры сверх допустимой При этом наблюдается более быстрое "старение" изоляции, которое проявляется прежде всего в ухудшении ее механических свойств (изоляция делается хрупкой и механически непрочной).
Отдача тепла зависит не только от размеров охлаждаемых поверхностей, но и от интенсивности движения Омывающего их воздуха (или другой охлаждающей среды). Применение правильно выбранной системы охлаждения (системы вентиляции) способствовало прогрессу электромашино- и трансформаторостроения и обусловило возможность строить машины и трансформаторы на огромные мощности (500000 кВт и выше в одной единице).
1-6. Краткие исторические сведения
Один из важнейших физических законов, определяющих принцип действия электрических машин и трансформаторов, — закон электромагнитной индукции — был установлен М. Фарадеем в 1831г.
В 1833 г. член Петербургской Академии наук и профессор Петербургского университета Э. X. Ленц представил работу, в которой он глубоко обобщил закон электромагнитной индукции, сформулировал принцип обратимости и показал, что оба явления — вращение под действием электромагнитных сил и электромагнитная индукция — теснейшим образом связаны между собой.
В последующем многие работы Э. X. Ленца были связаны с работами русского академика Б. С. Якоби — изобретателя первого электродвигателя с вращательным движением. Якоби также впервые применил коллектор, который является необходимой частью коллекторной машины.
Построенный им электродвигатель был первым в мире электродвигателем, примененным для практического использования. Двигатель был использован для приведения в движение лодки на Неве (1837 г.). Одновременно с работой по усовершенствованию своего двигателя Якоби занимался многими другими вопросами электротехники. Большое значение имели его работы по минному делу. Якоби для передачи импульсов электроэнергии к минным запалам на расстояние около 9 км применил индукционные катушки. Таким образом, была впервые осуществлена передача электроэнергии при ее трансформации при помощи индукционных катушек.
Однако изобретателем трансформатора следует считать П.Н. Яблочкова, впервые применившего его для преобразования переменного тока в установках промышленного типа в 70-х годах прошлого столетия.
Начиная с появления двигателя Якоби и до 80-х годов прошлого столетия развитие практической электротехники шло главным образом в направлении усовершенствования машины постоянного тока. Она во многих случаях вытеснила дорогие и малоэффективные гальванические элементы.
Первую практическую установку переменного тока осуществил П.Н. Яблочков в 1878 г. для питания изобретенных им «свечей Яблочкова». Им при этом был создан генератор переменного тока с обмоткой на статоре, в которой наводился переменный ток магнитным полем вращающихся электромагнитов. К обмоткам последних ток подводился при помощи контактных колец и наложенных на них щеток от особого генератора постоянного тока. Такой генератор переменного тока явился прототипом современных синхронных машин.
Индукционные катушки, как они назывались в то время, примененные Яблочковым в его установках со «свечами», имели две магнитно связанные обмотки, помещенные на разомкнутом сердечнике. Такие индукционные катушки служили для преобразования переменного тока и по существу являлись, следовательно, трансформаторами.
Несмотря на то, что к середине 80-х годов прошлого столетия преимущества переменного тока для передачи электрической энергии были выявлены, чему немало способствовали работы наших соотечественников Ф. А. Пироцкого, Д. А. Лачинова и др., все же в большинстве случаев при выборе системы тока останавливались на постоянном токе, так как не существовало еще достаточно совершенного двигателя переменного тока. Такой двигатель был создан в конце 80-х годов нашим соотечественником М. О. Доливо-Добровольским. Это был трехфазный асинхронный двигатель, который является в настоящее время наиболее распространенной электрической машиной.
1-7. Трансформаторостроение и электромашиностроение в СССР
В царской России своей электромашиностроительной промышленности совсем почти не было. Те небольшие заводы, которые существовали в Петербурге, Москве, Риге, Ревеле, не были самостоятельными. Они принадлежали иностранным фирмам, которым невыгодно было развивать электромашиностроение в России. Существовавшие заводы в действительности были скорее сборочными мастерскими, где машины обычно собирались из частей, привозившихся из-за границы.
Руководящими работниками на заводах были иностранные инженеры и техники.
Несмотря на такие условия, в России были свои талантливые инженеры и ученые. Они смогли применить в полной мере свои знания и способности только после Великой Октябрьской социалистической революции. Они сыграли немалую роль в деле развития электрификации СССР.
При их участии разрабатывался ленинский план ГОЭЛРО, расширялись и строились электрические станции и заводы электропромышленности.
Подлинного расцвета электротехника и ее важнейшая область — электромашиностроение — достигли в советское время. Быстро возникали большие заводы и электрические станции. Советские технические учебные заведения и заводы вырастали новые кадры квалифицированных специалистов, умеющих решать сложные технические задачи.
За годы советской власти, главным образом за первые две пятилетки, нашему электромашиностроению пришлось пройти путь, который заграничная техника проходила в течение почти полувека.
Быстро осваивая новые типы машин, широко внедряя в производство социалистические формы труда, на базе широкого планирования, электромашиностроительная промышленность СССР качественно и количественно достигла уже к концу второй пятилетки уровня заграничной техники.
Все основные и специальные типы трансформаторов и электрических машин — машины постоянного и переменного тока, крупнейшие генераторы и трансформаторы — изготовляются в настоящее время на заводах СССР. Успехи советского электромашиностроения обусловлены самой системой нашего планового хозяйства и стремлением советских людей работать ради общего подъема всего народного хозяйства.
Мощь нашей техники особенно сказалась в годы Великой Отечественной войны и в послевоенные годы. В это время были созданы новые электромашиностроительные заводы, которые снабжали промышленность необходимыми электрическими машинами и трансформаторами
В настоящее время мы имеем электромашиностроительные заводы почти во всех республиках Советского Союза, которые выпускают ежегодно миллионы электрических машин и трансформаторов самых различных типов на мощности от долей ватта до сотен тысяч киловатт
Советские электромашииостроители сохранили лучшие традиции своих знаменитых соотечественников — В В. Петрова, Э X. Ленца, Б. С. Якоби, А. Г. Столетова, П. Н. Яблочкова, Д. И. Лачинова, М. О. Доливо-Добровольского и других выдающихся ученых и инженеров, работавших в прошлом столетии, с самого начала развития электротехники, и много сделавших в этой области своими научными открытиями и изобретениями.
Советские ученые и инженеры в последние годы далеко шагнули вперед.
В Советском Союзе созданы такие машины, как турбогенераторы на 320000 кВт и 3000 об/мин, крупнейшие в мире по размерам гидрогенераторы, мощные трансформаторы на 500 кВ, многие типы нормальных и специальных электрических машин и трансформаторов. Мы теперь имеем много высококвалифицированных специалистов, число которых непрерывно растет.
Необходимо упомянуть коллективы заводов «Электросила» имени С. М. Кирова в Ленинграде, «Динамо» имени С. М. Кирова в Москве, ХЭМЗ и завода тяжелого электромашиностроения в Харькове, ЯЭМЗ в Ярославле, «Уралэлектроаппарат» в Свердловске, МТЗ (Московский трансформаторный завод) имени В. В. Куйбышева в Москве, имеющие большие достижения.