Введение. Электрические машины имеют чрезвычайно широкое распространение

Электрические машины имеют чрезвычайно широкое распространение. Они применяются в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, в энергетике, на транспорте, морском и речном флоте, в авиации, медицине, быту и т. д. В связи с этим существует большое разнообразие электрических машин. Они различаются по принципу действия, роду потребляемого тока, мощности, частоте вращения, режимам работы. Несмотря на конструктивные различия, любая электрическая машина является электромеханическим преобразователем, который может превращать механическую энергию в электрическую или наоборот — электрическую в механическую. Те электрические машины, в которых происходит преобразование механической энергии в электрическую, называются электрическими генераторами, а машины, в которых совершается обратное преобразование, называются электрическими двигателями.

В электрической машине взаимное преобразование механической и электрической энергии может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора. Это будет зависеть от того, какая энергия к машине подводится и какая снимается. В этом заключается принцип обратимости электрических машин. Однако для наиболее эффективного использования каждая электрическая машина, выпускаемая заводом-изготовителем, проектируется и предназначается для одного определенного режима работы (двигателем или генератором).

По роду тока электрические машины подразделяются на машины постоянного тока и машины переменного тока. Особенностью большинства машин постоянного тока является наличие у них специального механического переключающего устройства — коллектора. Машины переменного тока подразделяются на асинхронные и синхронные. В тех и других машинах возникает вращающееся магнитное поле. У асинхронных машин частота вращения ротора отличается от частоты вращения поля, а у синхронных машин эти частоты равны.

К электрическим машинам принято относить также трансформаторы. Строго говоря, трансформатор не является электрической машиной, так как в нем не происходит превращение одного вида энергии в другой. В трансформаторе электрическая энергия одного напряжения преобразуется в электрическую энергию другого напряжения. При этом часть потребляемой энергии преобразуется в тепло (расходуется на нагрев сердечника и проводников обмоток). С этой точки зрения трансформатор является типичным потребителем энергии. Вырабатывать энергию он не может, т. е. не является ее источником. Однако физические процессы, происходящие в трансформаторе, имеют много общего с процессами, происходящими во вращающихся электрических машинах. Изучение конструкции и основ теории трансформаторов важно не только само по себе, но и является той базой, на основе которой изучаются асинхронные и синхронные машины.

Для практического применения, правильного подключения, выбора и оптимальной эксплуатации электрических машин важно не только хорошо представлять принцип их работы, но и получать рабочие характеристики устройств, используя их паспортные данные.

Сведения об электромагнитных устройствах сосредоточены в специальных каталогах и справочниках. Кроме того, каждая электрическая машина имеет паспортную табличку, выбитую на металлической пластине и прикрепленную к корпусу. В этой табличке указаны тип машины и ее номинальные данные, характеризующие основные энергетические показатели и условия работы, на которые она рассчитана. К ним относятся: мощность, напряжение, частота вращения, частота переменного тока, коэффициент полезного действия (КПД), число фаз, коэффициент мощности, режим работы и т. д. Термин “номинальный” можно применять и к величинам, не приведенным в паспортной табличке, но относящимся к ее номинальному режиму, например, номинальный вращающий момент, номинальное скольжение и т. д.

Важнейшим номинальным параметром электрической машины является номинальная мощность, то есть мощность, на которую рассчитана данная машина по условиям нагревания и безаварийной работы в течение установленного срока службы. Для электрических двигателей под номинальной мощностью понимают полезную механическую мощность на валу, выраженную в ваттах или в киловаттах; для генераторов постоянного тока — полезную электрическую мощность на зажимах машины (в ваттах или киловаттах); для генераторов переменного тока — полную электрическую мощность на зажимах (в вольт-амперах или киловольт-амперах). Номинальные мощности всех видов электрических машин и трансформаторов стандартизованы; также стандартизованы номинальные частоты вращения электрических машин.

Электрические машины могут работать и при неноминальных условиях (например, пониженное или повышенное напряжение или ток, отличная от номинальной мощность и т. д.) В этих случаях энергетические показатели отличаются от паспортных данных. Например, при нагрузке трансформатора ниже оптимальной его КПД резко падает. При нагрузках больше номинальной появляется опасность чрезмерного повышения температуры частей электрической машины, в первую очередь обмоток, что может привести к преждевременному выходу из строя изоляции обмоток и, следовательно, всей машины.

Как правило, электрический двигатель представляет собой основной элемент электропривода, являясь электромеханическим преобразователем энергии. От электродвигателя механическая энергия через передаточное устройство (механическое, гидравлическое, электромагнитное) передается на исполнительный орган рабочей машины, за счет чего он и совершает механическое движение. Таким образом, и электропривод сам по себе является электромеханической системой, состоящей из электродвигательного, преобразовательного, передаточного и управляющего устройств, предназначенной для приведения в движение исполнительных органов рабочей машины и управления этим движением. При питании электрических частей электропривода для понижения или повышения напряжения используются такие электромагнитные устройства, как трансформаторы.

Целью данного пособия является установить основные закономерности в работе электромеханических и электромагнитных преобразователей, привести основные характеристики и параметры электрических машин и трансформаторов, обрисовать круг проблем при их эксплуатации.

Пособие предназначено для студентов машиностроительных и других инженерных специальностей, обучающихся по дневной или заочной формам.