Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






В 1. Загальні відомості




ВСТУП

 

 

В різних автоматичних системах авіа-, авто- та електротранспортних засобах, підйомно-транспортних пристроях та інших галузях техніки значне місце посідають електричні машини: електричні мікромашини, авіаційні, автотракторні електричні машини, кранові та тягові електричні двигуни, електричні машини спеціальних конструкцій, призначень та принципів дії.

Машини, в котрих перетворювання енергії відбувається за рахунок явища електромагнітної індукції, називають електричними. Точніше було б назвати їх електромагнітними, оскільки, окрім них, є машини, які діють на інших принципах і які також називають електричними (електрофорні, ємнісні, електретні, плазмові і т. д.). Робота потужних та малопотужних трансформаторів базується на принципі електромагнітної індукції, хоча вони не є машинами у загальноприйнятому сенсі.

Як відомо [3], електричні машини – це електромеханічні перетворювачі енергії: механічної в електричну (генератори), електричної в механічну (двигуни), параметрів електричної енергії (двигун-генераторні). В статичних електромагнітних перетворювачах (трансформаторах) робочі процеси подібні до окремих режимів електромеханічних перетворювачів.

Відомі два основні класи електромеханічних перетворювачів: індуктивні та ємнісні. Електромеханічне перетворення в індуктивних машинах відбувається під дією електромагнітного поля з періодичною зміною індуктивностей або взаємних індуктивностей, а в ємнісних машинах – під дією електричного поля з періодичною зміною ємностей або взаємних ємностей у процесі переміщення рухомої частини електричної машини відносно нерухомої. Внаслідок більшої ефективності перетворення енергії переважно застосовуються індуктивні електричні машини.

За типом переміщення рухомої частини електричної машини поділяються на обертові та лінійні (в тому числі з поступально-зворотним рухом). Обертові електричні машини за енергетичною ефективністю кращі від лінійних, тому переважно розповсюджені саме ці машини. Але з 80 –х років XX ст. на транспорті та в інших галузях техніки практично застосовуються й лінійні електричні машини.

За призначенням електромеханічні перетворювачі поділяються на енергетичні (генератори, двигуни і т. д.) та інформаційні електричні машини (тахогенератори, перетворювачі сигналів і т. і.).

У 80-ті роки XX ст. почали розробляти електричні машини з надпровідними (зі з’єднань ніобію з титаном Nb-Ti, ніобію з оловом Nb3Sn і т. і.) та кріопровідними (наприклад з особливо чистого алюмінію марки А999) обмотками збудження, які можуть створювати сильні магнітні поля без застосовування феромагнітопроводу з невеликими витратами потужності в індукторі, який охолоджується кріогенними рідинами (гелієм або воднем) з температурами 4 К та 20 К відповідно.

З 1986 р. розпочата розробка металокерамічних оксидних надпровідників, які працюють при температурі рідкого азоту (77 К) та ще вищих кріотемпературах (до 125 К). Це відкриває перспективи ефективного використання нових надпровідних матеріалів в електромеханіці й електроенергетиці. При цьому використовуються кріомагнетики (наприклад, диспрозій), які мають високу індукцію магнітного насичення.

У 80-90-ті роки XX ст. розроблені конструкції асинхронних та синхронних машин з магнітопроводами статора й ротора, які виготовляються за безвідходною технологією [3,5], що економічно вигідно при масовому виготовленні електричних машин. Зубцево-пазові шари виконуються методом гофрування зі стрічки електротехнічної сталі (рис.В.1,а,в). При цьому виконуються закриті пази або пази зі шліцями й містками, які забезпечують неперервність стрічки. Ярма при цьому намотуються також зі стрічки способом «на ребро» (рис.В.1,б). Після вкладання обмотки активний шар, наприклад статора, запресовується в ярмо. В таких електричних машинах ротор може мати й звичайну конструкцію (рис.В.1,в). Прогресивним конструктивним рішенням є застосування корпусу прямокутної конфігурації (рис.В.1,г), що дозволяє зменшити габарити електричної машини.

Суттєвого прогресу в конструкції й технології виготовлення трансформаторів малої потужності досягнуто застосуванням витих

 

 

Рис. В. 1. Елементи конструкції статора електричної машини, які виготовляються за безвідходною технологією (а-в) та співставлення габаритів електричних машин з прямокутним та круглим корпусами (г): 1- ярмо статора; 2- зубці; 3- обмотка

 

 

стрічкових магнітопроводів, виконаних з тонкої холоднокатаної електротехнічної сталі (рис. В.2). У процесі навивання шари стрічки ізолюються лаком та склеюються. Після запікання осердя розрізають (рис. В.2,а,б,г) та вкладають в окремо виготовлені обмоткові котушки, що спрощує складання трансформаторів. Потім осердя склеюють та запікають з обмотками або скріплюють іншим способом.

 

 

Рис. В. 2. Стрічкові виті магнітопроводи: однофазні стержневий (а), броньовий (б), кільцевий (в) та стрижневі трифазні несиметричний (г), симетричний (д)

 

В.2. Загальна характеристика електричних машин автоматичних пристроїв

 

 

До електричних машин малої потужності належать такі, потужності яких знаходяться в межах від часток вата до 750 Вт. Серед цієї групи машин розрізняють машини, потужність яких не перевищує 10 Вт, а габаритні розміри – 6-8 см. Машини такого типу звичайно називають електричними мікромашинами [4,6,7].

Область застосування електричних машин малої потужності охоплює всі галузі промисловості, сільського господарства, побуту й спеціальної техніки.

Основною областю застосування електричних машин є генерування електричної енергії [1,2,8], привод та перетворення сигналів автоматичних та інших пристроїв [9,10].

В сучасних системах автоматичного керування систем синхронного зв’язку звичайно застосовуються в якості виконавчих органів електричні машини.

У XX ст. в якості регулюючих органів використовувались електромашинні та магнітні підсилювачі. Електричні машини використовувались як диференціюючі й інтегруючі елементи та як джерела прискорюючих та уповільнюючих сигналів.

В програмуючих та інших системах застосовуються крокові електродвигуни з дискретним обертанням валу.

В системах автоматики й телемеханіки, а також у приладобудівній промисловості широко застосовуються мікромашини. Трансформатори й інші види електричних машин використовуються в низьковольтних схемах електроніки та радіотехніки. Електричні машини застосовуються у вимірювальній техніці як тахогенератори, електромашинні динамометри, вимірювальні трансформатори і т. і.

Велика кількість всіляких автоматичних та телемеханічних систем установлюється на морських та річкових суднах, тепловозах та електровозах, літаках та ракетах, звичайних та атомних електростанціях, на підприємствах зв’язку, в різних науково-дослідних лабораторіях і т. д. В цих системах широко застосовуються електричні машини малої потужності.

Такі машини широко застосовуються в кінематичних пристроях різних радіоелектронних приладів, в приладах точної механіки та оптики; у різних медичних приладах призначених для діагностики (кардіографи, центрифуги) та лікування (інгалятори, бормашини і т. і.); в приладах звукозапису та звуковідтворення; в кіноапаратурі; в апаратурі зв’язку і т. і. Велика кількість електричних машини потрібна для промисловості й сільського господарства.

Велика кількість різних мікромашини застосовується у побутовій техніці. Мікродвигуни забезпечують роботу холодильників, пилососів, пральних машин, магнітофонів, програвачів, міксерів, вентиляторів, електробритв, фенів і т. д.

За призначенням та особливостями роботи електричні машини малої потужності можливо розділити на чотири групи:

1) машини малої потужності загального застосування;

2) мікромашини автоматичних пристроїв;

3) мікромашини гіроскопічних пристроїв;

4) перетворювачі.

В першу групу входять різні двигуни: асинхронні, синхронні, колекторні, призначені, в основному, для індивідуального привода механізмів.

Класифікація таких електричних машин наведена на рис. В.3.

 

Рис. В. 3. Класифікація машин малої потужності першої групи

 

Друга група електричних мікромашин містить кілька десятків різних типів. Їхня особливість полягає в тому, що до їх характеристик та конструкції ставляться специфічні вимоги, які визначаються умовами роботи машин у автоматичних системах. Головними є вимоги високої точності роботи, швидкості, надійності та стабільності характеристик. Для низки електричних машин цієї групи такі показники, як ККД, cosφ, корисна потужність є не суттєвими.

За призначенням електричні мікромашини автоматичних пристроїв розділяють на дві групи: силові та інформаційні. Перші виконують силові функції. Це – індикаторні сельсини (датчики та приймачі), синхронні мікродвигуни, крокові, керовані двигуни. Машини цього типу перетворюють електричну енергію на механічну роботу й повинні з достатньою точністю перетворення мати високі ККД, корисну потужність та інші енергетичні показники.

Рис. В.4. Класифікація машини малої потужності другої групи

 

Інформаційні електричні мікромашини перетворюють механічні величини (кут повороту, кутові швидкість та прискорення) на електричний сигнал. До них належать обертові трансформатори, трансформаторні сельсини, тахогенератори, перетворювачі кута й кутової швидкості в цифровий код і т. і. Основна вимога, яка ставиться до цієї групи машин – мала погрішність перетворення (0,02-0,1%). Енергетичні показники мають другорядне значення.

Класифікація другої групи мікромашин наведена на рис. В.4.

В третю групу входять різного типу гіроскопічні двигуни, датчики кута, моменту. Гіроскопічні двигуни мають обернену конструкцію (для збільшення кінетичного моменту) і повинні бути дуже стабільними в роботі. Електричні датчики моменту й кута звичайно убудовуються в той чи інший вузол гіроскопічного приладу й виконуються без окремого корпусу. До них ставляться дуже високі вимоги стосовно точності роботи.

Четверта група машин малої потужності охоплює електромашинні перетворювачі напруги, струму, частоти, числа фаз і т. і. Вони звичайно виконуються у вигляді агрегатів, які містять в одному корпусі двигун та генератор. До цієї групи належать і електромашинні підсилювачі.

В автоматиці застосовуються як машини постійного, так і змінного струму, але найбільш розповсюджені машини змінного струму: обертові (поворотні) трансформатори (в режимах СКПТ, ЛПТ, фазообертача, перетворювача координат і т. д.); сельсини (в індикаторному й трансформаторному режимах); асинхронні тахогенератори (лічильно-розв’язувальні функції та демпфування); двофазні керовані асинхронні двигуни з короткозамкненим ротором. Ці машини працюють при частотах 50, 400, 500, 1000 Гц. У малогабаритному виконанні найчастіше – 400 й 1000 Гц.

Мікромашини мають швидкості обертання в межах від 1 об./год. до 300000 об./хв. й більше.

Електричні машини малої потужності для автоматичних систем характеризуються величинами, які визначають можливість виконання мікромашинами певних функцій. Ці величини можливо розділити на дві групи: загальні (для різних за призначенням машин) та специфічні (для машин даного типу).

Перелік величин першої групи (номінальні напруга UN, частота fN, струм ІN, потужність РN, ККД ηN, коефіцієнт потужності cos φN, температура θN і т. д.) визначений держстандартами.

Величини другої групи визначаються призначенням машини й містять вхідний та вихідний опори обмоток, значення вихідних величин та діапазони їх зміни, погрішності відтворення заданих математичних залежностей, значення моментів тертя на валу і т. д.

Для електричних машин інформаційної та силової підгруп ставляться різні вимоги за вихідними величинами.

Для силової підгрупи найважливішою характеристикою є момент на один ват споживаної потужності. Тому електромагнітні навантаження, цих машин вибираються максимальними за умовами нагріву.

Машини силової підгрупи повинні мати малі залишкові електромагнітні моменти й моменти тертя в підшипниках та струмознімальному пристрої. Для цього передбачається певна структура повітряного зазору, скіс пазів, електрична й магнітна симетрія магнітопроводів та обмоток, прецизійні кулькові підшипники, мінімальні розміри контактних кілець і т. д.

В інформаційних мікромашинах найважливішою величиною є точність перетворення, на яку впливають різні погрішності. Ці погрішності за своєю фізичною природою можливо розділити на чотири групи:

а) які визначаються принципом роботи (обумовлені обмеженою лінійністю перетворення);

б) від конструктивних обмежень (несинусоїдність розподілу обмотки, пази на статорі й роторі, нелінійність кривої намагнічування);

в) від не точності виготовлення (асиметрія магнітопроводу, ексцентриситет деталей конструкції, помилки в числах витків обмоток і т. і.);

г) від зміни температури оточуючого середовища, підведених напруги та частоти.

Для зменшення погрішностей перших трьох типів в інформаційних електричних мікромашинах вибирають відносно малі електромагнітні навантаження, збільшують повітряний зазор, застосовують матеріали з високою магнітною проникністю μ.

Для зменшення погрішностей четвертого типу застосовують термостатування, термокомпенсацію, стабілізацію напруги й частоти.

Не тільки асинхронні мікродвигуни, а й інші електричні мікромашини мають деякі загальні особливості, які відрізняють їх від машин середньої й великої потужності. Вони обумовлюють особливості їхньої теорії й розрахунку.

1. Електричні мікромашини мають інше співвідношення параметрів їхніх обмоток (активних та індуктивних опорів). Зі зменшенням потужності машин зростають активні опори їхніх обмоток та відношення активних і індуктивних опорів (розсіювання) обмоток до індуктивного опору взаємоіндукції. Це не дозволяє нехтувати активними опорами обмоток статора, особливо в машинах змінного струму, як це часто робиться при теоретичних дослідженнях та розрахунках крупних машин. Тому не можливо, не роблячи великої погрішності, використовувати при розрахунках мікромашин класичні формули, векторні й кругові діаграми (без врахування первинних параметрів), які широко використовуються при аналізі крупних машин. Вони можуть бути використані лише для наближеного аналізу мікромашин, але не завжди.

2. Електричні мікромашини мають у порівнянні з крупними машинами значно більші відносні значення (по відношенню до номінальних) намагнічуючих потужностей та струмів. Це пояснюється тим, що зі зменшенням габаритів машини за технологічними міркуваннями не можливо пропорційно до габаритів зменшувати повітряний зазор – в мікромашинах він завжди має відносно більшу величину. При теоретичних дослідженнях та розрахунках мікромашин не можна нехтувати намагнічуючими потужностями й струмами, як це часто робиться при аналізі й розрахунках машин середньої й особливо великої потужності.

3. Більшість мікромашин виконуються малонасиченими або зовсім не насиченими (у магнітному відношенні), що поясняється або намаганням зменшити намагнічуючий струм, або – одержати більшу лінійність вихідних характеристик.

4. В електричних мікромашинах втрати потужності в сталі звичайно дуже не значні у зв’язку з малим насиченням магнітопроводів та малим їхнім об’ємом, тому при дослідженнях та розрахунках великої кількості мікромашин втратами в сталі без великої погрішності нехтують.

5. В електричних мікромашинах застосовуються великі густини струмів у обмотках, що пояснюється покращеними у порівнянні з крупними машинами умовами тепловідведення внаслідок малих габаритів мікромашин.

6. Збільшення активних опорів обмоток та густин струмів, а отже – електричних втрат потужності, відносне збільшення намагнічуючих струму та потужності, а також механічних втрат на тертя призводять до того, що зі зменшенням габаритів та номінальної потужності електричних машин звичайно погіршуються їхні енергетичні показники – ККД й cos φ.

7. Мала кількість пазів, що значно збільшує вплив вищих просторових гармонік на роботу машин.

Окрім вищезгаданих спільних для всіх мікромашин особливостей, окремі типи мікромашин мають свої особливості, які необхідно враховувати в дослідженнях та розрахунках.

Основною особливістю мікромашин змінного струму, наприклад, є те, що найчастіше це не звичайні симетричні трифазні машини з великою кількістю пазів, а несиметричні двофазні або однофазні машини з обмеженою за технологічними міркування кількістю пазів.

Теорія несиметричних двофазних та однофазних машин значно складніша ніж теорія симетричних трифазних машин.

У практиці застосовується кілька методів теоретичного дослідження несиметричних одно-, дво- та трифазних машин. В наш час найбільш розповсюджені три з них: метод двох реакцій (метод подовжнього та поперечного полів); метод обертових полів; метод симетричних складових.

Метод двох реакцій широко застосовується для аналізу різноманітних електричних мікромашин. Сутність цього методу полягає в тому, що МРС поля і потокозчеплення ротора й статора розкладаються на складові за двома взаємо перпендикулярними осями. Обмотки статора зводяться до двох взаємо перпендикулярних обмоток, осі яких відповідно співпадають з напрямом найбільшої магнітної провідності машини (вісь d), та найменшої магнітної провідності машини (вісь q). Обмотка ротора також зводиться до нерухомих осей відносно статора d та q, або - нерухомих осей відносно ротора а, в. Розрахунок потокозчеплень, струмів, потужностей ведеться для відповідних осям обмоток.

Метод двох реакцій успішно використовується для аналізу мікромашин.

Метод обертових полів – це подання будь-якої m-фазної електричної машини у вигляді суми однофазних машин, в кожній з яких є прямообертове та зворотнообертове поля.

Метод симетричних складових – це розкладання m-фазних несиметричних систем струмів або МРС на дві симетричні системи струмів або МРС – пряму та зворотну, кожна з яких створює колове поле, яке відповідно обертається у прямому або зворотному напрямах.

Всі три метода однаково придатні для аналізу несиметричних мікромашин змінного струму. Кожен з них має свої переваги й недоліки.

Метод двох реакцій особливо придатний для аналізу явно- полюсних машин та машин з нерівномірним повітряним зазором. За допомогою цього методу зручно розглядати перехідні процеси в електричних машинах, що є його великою перевагою над іншими методами. За допомогою цього методу зручно аналізувати електричні машини, застосовуючи ЕОМ.

Недоліком цього методу є те, що він не дуже наочний, іноді складний для фізичного уявлення процесів у машині. При його застосуванні ускладнюється врахування впливу вищих гармонік.

Метод обертових полів значно наочніший, має кращий зв’язок з фізикою, але розрахунки за цим методом громіздкіші, особливо при розрахунках з урахуванням вищих гармонік поля.

Метод симетричних складових відрізняється від інших методів простотою, фізичністю, наочністю, особливо при аналізі асинхронних машин.

Цим методом одержують менш громіздкі вирази, ніж при використанні методу обертових полів, але в деяких випадках більш громіздкі, ніж при використанні методу двох реакцій.

Недоліком цього методу, як і методу обертових полів, є складність застосування його для аналізу перехідних процесів у несиметричних електричних мікромашинах.

 

В.3.Деякі перспективи розвитку спеціальних електричних машин

 

Потреба в спеціальних електричних машинах різних типів у різних галузях техніки та господарства, в побуті безперервно зростає. Це ставить перед електромашинобудуванням та виробництвом спеціальних електричних машин зокрема все нові й нові задачі. Наведемо лише деякі з них.

1. В області проектування потрібне таке.

1.1. Розробити науково обґрунтовану систему уніфікованих серій спеціальних електричних машин на заміну великої кількості серій існуючих, які мало пов’язані між собою та часто дублюють одна одну.

1.2. Замінити давно розроблені та вже застарілі серії новими, які відповідають сучасним вимогам.

1.3. Розробити та впровадити нові науково обґрунтовані техніко-економічні методики проектування спеціальних електричних машин з обов’язковим широким застосуванням обчислювальної техніки.

1.4. Створити нові типи та серії спеціальних електричних машин різних призначень.

2. В області організації виробництва необхідно наступне.

2.1. Значно збільшити виготовлення спеціальних електричних машин для різних галузей народного господарства.

2.2. Максимально використовувати стандартизацію та уніфікацію, що дозволить значно скоротити номенклатуру спеціальних електричних машин та краще організувати їх виробництво.

3. В області технології виробництва та випробування спеціальних машин потрібно досягти такого.

3.1. Максимально механізувати та автоматизувати виробничі процеси для зменшення ручної праці. Для цього в першу чергу автоматизувати штампувальні операції, механізувати й автоматизувати процеси шихтування пакетів сталі, складання якорів та роторів, укладання обмоток в пази, ізоляції пазів, просочення, механічної обробки, виготовлення безпазових роторів та статорів і т. і.

3.2. Впровадити у виробництво магнітопроводів нову безвідходну технологію, значно зменшивши цим відходи дефіцитної електротехнічної сталі.

3.3. Максимально використовувати сталі.

3.4. Створити науково обґрунтовані серії уніфікованого стандартного вимірювального обладнання для випробування спеціальних електричних машин з обов’язковим впровадженням метрології (гальма-моментовимірювачі, прилади для вимірювання частоти обертання та її стабільності і т. і.).

 

Контрольні запитання

1. Де застосовуються та які різновиди спеціальних електричних машин?

2. Як класифікуються спеціальні електричні машини у загальному смислі: за принципом дії, типом переміщення рухомої частини, призначенням?

3. Що таке електричні машини з надпровідними та кріопровідними обмотками і кріомагнетиками?

4. Що таке безвідходна технологія при виготовленні магнітопроводів електричних машин? Трансформаторів?

5. Що таке машини малої потужності? Мікромашини? Де вони застосовуються?

6. Як класифікуються машини малої потужності за призначенням? Дайте загальну характеристику машин загального застосування.

7. Наведіть класифікацію та загальну характеристику мікромашин автоматичних пристроїв: силових та інформаційних.

8. Наведіть загальну характеристику мікромашин гіроскопічних приладів та перетворювачів.

9. Які машини змінного струму застосовуються в автоматиці? Якими величинами характеризуються машини малої потужності для автоматичних систем?

10. Як класифікуються погрішності електричних мікромашин інформаційної групи? Як зменшують погрішності?

11. Які загальні особливості мікромашин у порівнянні з машинами середньої й великої потужності?

12. Які теоретичні методи застосовуються в наш час для аналізу процесів у електричних машинах малої потужності? Наведіть їхню коротку характеристику.

13. Які основні задачі необхідно вирішувати у перспективі розвитку спеціальних електричних машин?

 






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных