Значение электрических машин в Российской Федерации

14

1. Значение электрических машин в Российской Федерации

В настоящее время в области новой и специальной техники широкое и разнообразное применение получили электрические машины и трансформаторы малой мощности в качестве управляющих, исполнительных и силовых элементов в системах автоматики и телемеханики, вычислительной техники, летательных аппаратов, гироскопических устройств, информационно-измерительной техники и других областях.

Специалисты, оканчивающие вузы по приборостроительным специальностям: «Автоматика и телемеханика», «Математические и счетнорешающие приборы и устройства», «Гироскопические приборы и устройства», «Системы автоматического управления», «Информационно-измерительная техника», и работающие в этих областях техники должны получить надлежащую подготовку по теории и устройству электрических машин и трансформаторов для использования их в новой технике.

Электрическая энергия получила сейчас широкое и разнообразное применение в самых различных областях общественно-производственной деятельности человека -- в промышленности, транспорте, сельском хозяйстве, домашнем быту и т. д.

Эта энергия является основой современного технического прогресса, который широко использует ее при решении различных технических проблем.

Электрическая энергия вырабатывается с помощью электрических машин, в которых механическая энергия тепловых, гидравлических или других двигателей преобразовывается в электроэнергию постоянного и переменного тока.

В связи с этим электрическая машина представляет собой основу современной электроэнергетической установки, состоящей из трех главных звеньев: электрической станции, линии электропередачи и потребителей энергии. Основными потребителями электрической энергии являются различные отрасли промышленности -- металлургическая, химическая, угольная, металлообрабатывающая и др.

В этих отраслях промышленности находят себе массовое применение различные электродвигатели постоянного и переменного тока, в которых подводная к ним электрическая энергия от электростанции преобразовывается механическую для приведения в движение всевозможных станков, механизмов, автоматических устройств и т. д.

Широкое развитие промышленности и других отраслей хозяйства и растущая потребность в электроэнергии вызвали производство крупных электрических машин, достигающих каждая по мощности нескольких десятков и сотен тысяч киловатт и более.

Наряду с этим развитие промышленности и новых отраслей техники, авиации, ракетной техники, радиоэлектроники и специальных видов техники - вызвало широкое применение автоматизации управления различными технологическими процессами и исполнительными механизмами. Эта автоматизация базируется на широком применении различных малых электрических машин в диапазоне мощностей от до-до нескольких сотен ватт в качестве управляющих и исполнительных элементов в схемах автоматики.

Вместе с этим электрические машины малой мощности широко используются не только в автоматических устройствах, но также и для других разнообразных целей как в промышленности и специальной технике, так и в домашнем быту. Таким образом, области применения малых электрических машин в указанном диапазоне мощностей весьма разнообразны.

В настоящее время занимают важное место в современной технике, так как практически ни одна отрасль техники, использующая в той или иной мере принципы электротехники, почти не обходится без применения электродвигателей малых мощностей в качестве привода или исполнительного механизма. Ввиду этого практическое значение электрических машин мощности весьма велико и к ним требуется надлежащее внимание.

Все современные электроэнергетические установки различной мощности базируются на широком и разнообразном использовании средних и крупных электрических машин в диапазоне мощностей от единиц до нескольких сотен тысяч киловатт и более для преобразования и распределения энергии для различных практических целей. В разных автоматических системах управления в промышленности и специальной технике, на самолетах, в ракетах и других движущихся объектах, в гироскопических и радиоэлектронных устройствах, в вычислительной технике и других областях весьма широкое применение получили сейчас всевозможные малые электрические машины и трансформаторы в диапазоне мощностей от долей до нескольких сотен ватт. Некоторые из этих машин используются в качестве информационных приборов или датчиков в системах автоматики.

Современная электроэнергетическая установка состоит из трех основных звеньев -- электрической станции, вырабатывающей электроэнергию с помощью электрических машин, линии передачи энергии на расстояние и разнообразных потребителей ее. К ним относятся многочисленные промышленные предприятия, различные учреждения, жилые здания и др.

Установленные на электростанциях электрические машины приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами или же другими приводными двигателями.

В этом случае данные машины преобразуют на станциях подводимую к ним от приводных двигателей механическую энергию в электрическую и работают в качестве генераторов. Применяемые на различных промышленных предприятиях электрические машины получают электроэнергию по линиям передач от электростанций и преобразуют ее в механическую энергию, приводя во вращение всевозможные станки, механизмы и другие устройства. Следовательно, на промышленных предприятиях электрические машины работают в качестве электродвигателей или просто двигателей.

Однако деление электрических машин на генераторы и двигатели не является принципиальным, так как всякая электрическая машина обладает свойством обратимости, т. е. может работать и генератором, и двигателем в зависимости от условий ее применения и назначения.

При выпуске электрических машин с электромашиностроительных заводов на их паспорте обычно указывается назначение машины, т. е. режим работы ее в качестве генератора или двигателя. Это обусловливается тем, что на практике к генераторам и двигателям предъявляются различные требования. Так, например, если машина спроектирована и изготовлена для работы в качестве двигателя, то при использовании в режиме генератора она может не удовлетворить требованиям, предъявляемым к генераторам. Например, машина не будет сохранять постоянства напряжения на зажимах при изменении нагрузки. Удовлетворение нужным требованиям справедливо также и для обратного случая.

Таким образом, деление электрических машин на генераторы и двигатели является условным. Оно вызвано на практике различием требований к их рабочим свойствам, которые приходится учитывать при проектировании и производстве машин. В принципе же любая электрическая машина благодаря свойству обратимости может работать и генератором и двигателем.

Что касается малых электрических машин в диапазоне мощностей до нескольких сотен ватт, широко применяемых в различных системах автоматики, в авиации, ракетной и специальной технике, в промышленности и домашнем быту, то они используются на практике главным образом в качестве электродвигателей. Однако встречается также ряд специальных установок и устройств, в которых наряду с электродвигателями имеют применение и генераторы малой мощности.

2. Историческое развитие машин

Историческое развитие электротехники показывает, что большую роль в этом развитии играли отечественные ученые, так как определенные этапы учения об электричестве и магнетизме, в особенности в применении их в технике, связаны с именами русских ученых, инженеров и изобретателей. Значительную роль в развитии этого учения сыграли также и иностранные ученые (например, Фарадей, Максвелл, Генри, Ампер, Гаусс, Вебер, Ом и др.).

В отношении отечественных ученых следует отметить, что начиная с начала прошлого столетия, несмотря на социально-экономическую и техническую отсталость царской России, отдельные русские исследователи занимались вопросами применения электричества для практических целей.

Можно назвать, например, имена известных русских ученых и изобретателей этого периода: физика В. В. Петрова, открывшего в 1803 г. электрическую дугу; акад. Э. X. Ленца, установившего в 1833 г. принцип электромагнитной инерции и сформулировавшего принцип обратимости электрической машины; акад. Б. С. Якоби, создавшего в 1834 г. первый электродвигатель постоянного тока с вращательным движением, примененный для практической работы.

Далее, в числе известных русских изобретателей в области электротехники 70--90-х годов прошлого столетия можно назвать: инж. А. Н. Лодыгина, создавшего в 1873 г. электрическую лампу накаливания; инж. П. Н. Яблочкова, предложившего в 1876 г. свою электрическую свечу и первый однофазный трансформатор с разомкнутой магнитной цепью для питания этих свечей, и, наконец, русского инж. М. О. ДоливоДобровольского, создавшего в 1883 г. систему трехфазного тока, трехфазный трансформатор и применившего в 1891 г. первые трехфазные асинхронные двигатели.

Если теперь перейти к рассмотрению собственно истории развития электрических машин, то начало ее следует считать с 1831 г. -- года открытия Фарадеем закона электромагнитной индукции, лежащего в основе принципа действия электрических машин. Однако через два года после этого, в 1833 г., русским акад. Э. X. Ленцем был открыт принцип электромагнитной инерции, известный ныне под именем закона Ленца, и сформулирован принцип обратимости электрической машины.

Всю историю развития электрических машин можно условно подразделить на три основных периода.

Первый период (с 1831 по 1867 г.). Так как первыми генераторами электрической энергии являлись гальванические элементы, дававшие постоянный ток, то физики и химики первой половины прошлого столетия, оперировавшие с гальваническими батареями, приборами и аппаратами постоянного тока, стремились и от электрической машины получить постоянный ток. Поэтому первый период в истории развития электрических машин с 1831 г. по 1867 г. характеризуется в основном тем, что эти машины являлись генераторами постоянного тока для лабораторных целей и почти не имели промышленного применения.

Первые электрические машины в качестве генераторов постоянного тока строились обычно с постоянными магнитами и назывались магнитоэлектрическими. Мощность их была чрезвычайно мала, и, следовательно, они могли служить лишь в качестве физических приборов. Значительным шагом вперед было применение в электрической машине электромагнитов. В этом случае соединяли главную машину, полюсы которой выполнены в виде электромагнитов, с небольшой магнитоэлектрической машиной, питавшей током обмотку полюсов главной машины. Подобная машина получила название электромагнитоэлектрической.

Второй период (с 1867 по 1891 г.). Данный период в истории развития электрических машин характеризуется широким использованием принципа самовозбуждения машины постоянного тока для создания машин промышленного назначения. Явление самовозбуждения машины постоянного тока получило название динамо электрического принципа. Этот принцип был в то время надлежаще оценен, он создал настоящую эру в истории развития машины постоянного тока. С 1867г. эта машина получила на практике широкое применение и развитие. Созданную на основе нового принципа машину постоянного тока в отличие от существовавших тогда динамо электрической машиной. Впоследствии производный термин стал динамо машина. Однако последний термин, как устаревший, ныне уже не применяется и заменен термином электрическая машина.

Период с 1867 по 1885 г. в истории электрической машины был периодом широкого развития и внедрения в промышленность машины постоянного тока. В 1885 г. появляется трансформатор с замкнутой магнитною цепью и до 1891 г. однофазный переменный ток используется только для освещения.

Одновременно с этим продолжала внедряться в практику машина постоянного тока.

Третий период (с 1891 г. по настоящее время). Начало третьему периоду в истории развития электрических машин было положено применением в 1891 г. первых трехфазных асинхронных двигателей. В течение этого периода происходит постепенное вытеснение постоянного тока как в области генерирования, так и распределения электрической энергии для механических целей. В результате этого после 3900 г. трехфазный переменный ток начинает преобладать над постоянным током, и в настоящее время он занимает господствующее положение современных электроэнергетических установках.

Все современные центральные электрические станции вырабатывают электроэнергию переменного тока, которая через посредство трансформаторов и электропередач передается по проводам на большие расстояния к приемникам этой энергии.

В отношении состояния и развития электропромышленности в нашей стране следует отметить, что в конце прошлого и начале нынешнего столетия эта область в значительной степени зависела от иностранного капитала, хотя в некоторых городах России возникали небольшие заводы, на которых претворялись в жизнь конструкторские идеи русских инженеров.

После Великой Октябрьской социалистической революции отечественная электропромышленность встала на самостоятельный путь широкого развития под влиянием необходимости решения больших хозяйственных задач, стоявших тогда перед молодой Советской республикой. Огромным стимулом для широкого развития электротехнической промышленности нашей страны в то время явился известный всем план электрификации страны.

3а короткий срок в нашей стране были созданы новые отрасли электромашиностроения, которые отсутствовали до революции 1917 г. К ним относятся, например, турбо и гидрогенераторостроение, массовое производство нормальных машин постоянного и переменного тока, выпуск различных машин специального назначения, а также производство всевозможных малых электрических машин.

Следует подчеркнуть, что современное электромашиностроение в своем развитии характеризуется двумя тенденциями: первой и основной из них является производство все более крупных электрических машин, которые устанавливаются на тепловых и гидравлических электростанциях для выработки электроэнергии, другой -- производство и массовый выпуск всевозможных малых электрических машин постоянного и переменного тока в диапазоне мощностей от нескольких сотен и до малых долей ватта.

В настоящее время производство малых электрических машин представляет собой специальную отрасль электромашиностроения с серийным и массовым выпусками этих машин.

Огромная потребность в различных малых электрических машинах указанного диапазона мощностей вызвана широким развитием автоматизации производственных процессов в промышленности и различных механизмов управления в специальной технике, на самолетах, в ракетах и других движущихся объектах, а также массовым применением этих машин для других целей как в промышленности и специальной технике, так и в домашнем быту.

Изучение принципа действия и устройства, а также рабочих свойств малых электрических машин и трансформаторов и возможностей их применения для перечисленных областей техники и является основной задачей настоящего курса электрических машин.

3. Устройство машин

Как уже указывалось, электрическая машина постоянного тока конструктивно состоит из магнитной системы, создающей магнитное поле, и вращающегося в подшипниках якоря с обмоткой и коллектором. Обе эти части разделены воздушным зазором.

В процессе развития машин постоянного тока было предложено много разнообразных форм конструктивного их исполнения, однако к I настоящему времени сохранились лишь некоторые из них.

Так как основной задачей настоящего курса является изучение устройства и свойств, главным образом, малых электрических машин в диапазоне мощностей до нескольких сотен ватт, а также близких к ним по мощности нормальных машин (до нескольких киловатт), то далее кратко рассматривается конструктивное устройство именно этих машин.

Магнитное поле в современных малых электрических машинах постоянного тока создается с помощью обмоток возбуждения на полюсах, питаемых электрическим током (машины с электромагнитным возбуждением), и постоянных магнитов (магнитоэлектрические машины).

Число полюсов магнитной системы малых машин постоянного тока и близких к ним по мощности нормальных машин обычно принимают равным двум или четырем. Все современные коллекторные машины постоянного тока рассматриваемого здесь диапазона мощностей до нескольких киловатт в конструктивном отношении обычно выполняют закрытого или же защищенного типа.

Целью такого исполнения машин является подавление радиопомех, создаваемых ими при работе, путем экранирования закрытой конструкцией электрических частей их.

В настоящее время в малых машинах постоянного тока с электромагнитным возбуждением магнитную систему обычно выполняют или в виде сплошной стальной станины с отъемными цельными или шихтованными полюсами (рис. 1.7) или же в виде шихтованной станины вместе с полюсами (рис. 1.8).

Шихтованную станину и полюсы штампуют из листовой электротехнической стали толщиной 0,5 мм. Катушки обмотки возбуждения заготовляют предварительно на шаблоне, а затем укладывают на полюсы при сборке машины.

Между полюсными наконечниками находится якорь с пазами и уложенной в них обмоткой. Якорь насажен на вал и отделен от наконечников небольшим воздушным зазором 0,1--0,5 мм (см. рис. 1.7). Вал с якорем вращается в двух подшипниках, расположенных в подшипниковых щитах. Щиты с помощью винтов скреплены с торцами станины с обеих сторон (см. рис. 1.11).

Якорь машины малой мощности представляет собой пакет, собранный из дисков с пазами, выштампованных из листовой электротехнической стали толщиной 0,35 и 0,5 мм.

Отдельные диски перед сборкой пакета якоря покрывают специальным изолирующим лаком для уменьшения потерь на вихревые токи в стали якоря.

На рис. 1.9,а представлена конструкция машины малой мощности с возбуждением постоянными магнитами / в форме параллелепипедов, прикрепляемых к стальной станине 2, а на рис. 1.9, б-- с магнитами 1 в форме скоб, скрепляющих два полюса 2 из мягкой стали в алюминиевом корпусе 3.

При очень малых мощностях электродвигателей постоянного тока, измеряемых единицами ватт и значительно ниже, магнитную систему их часто выполняют в виде кольцевого магнита (рис. 1.9, в), намагничиваемого по диаметру. В таком двухполюсном магните якорь помещается внутри кольца, наружная часть которого обычно служит корпусом машины.

Весьма ответственной частью коллекторной машины постоянного тока является ее коллектор.

В малых машинах коллекторные пластины изготовляют из красной меди и изолируют друг от друга и вала машины миканитом или пластмассой. Коллектор имеет строго цилиндрическую и гладкую поверхность, по которой скользят щетки.

В качестве материала для изготовления этих щеток обычно служит графит разной твердости.

В коллекторных машинах постоянного тока применяют разные сорта графитных щеток, различающиеся по степени твердости материала и величине падения напряжения под щетками, а именно: графитные марки Г (твердые), электрографитированные марки ЭГ (средней твердости), меднографитные марок и МГ (мягкие), бронзографитные марки БГ (очень мягкие) и др. Щеткодержатели должны обеспечивать правильное положение и работу щеток 1 на коллекторе. На рис. 1.10 представлен продольный разрез по оси вала одного из исполнений коллектора малой машины с втулкой 2 из пластмассы. В заключение для иллюстрации общего вида малых машин постоянного тока с соответствующими их деталями на рис. 1.11 представлены продольный и поперечный разрезы двигателя постоянного тока.

Литература

1. Б.Ю. Липкин Электроснабжение промышленных предприятий и установок 1990 «Высшая школа».

2. Н.П. Ермолин Электрические машины 1975 «Высшая школа».

3. А.С. Кокорев Контроль и испытание электрических машин, аппаратов и приборов.