История развития электрических машин. Назначение электрических машин. Основные законы физики и электротехники в применении к теории электрических машин.

История развития электрических машин. История развития электрических машин насчитывает более 100 лет. Ее начало можно отнести к 1831 году, когда М. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции.

В 1833 году русский ученый Э.Х. Ленц обобщил закон Фарадея, сформулировав его в виде известного в физике правила Ленца. Он открыл принцип обратимости преобразования электрической энергии в механическую, объяснил явление реакции якоря, заложив таким образом основы теории электрических машин.

Русский ученый Б.С. Якоби в 1834 году изобрел первый в мире двигатель постоянного тока с вращающимся якорем, а в 1838 г. построил электродвигатель мощностью 0.75 л.с. и применил в качестве лодочного мотора. Якоби изобрел также коллектор для выпрямления тока, открыл появление обратной ЭДС при вращении двигателя.

В 1876 г. русский изобретатель П.Н. Яблочков создал однофазный трансформатор с разомкнутым стальным сердечником, использовав его для питания изобретенных им дуговых свечей переменного тока. По сути он является изобретателем первого в мире трансформатора и основоположником применения переменного тока в практической электротехнике.

Назначение электрических машин. Современная электроэнергетическая система предполагает:

1. Производство электроэнергии на центральных электрических станциях.

2. Передачу электроэнергии к месту потребления по линиям электропередачи.

3. Распределение и преобразование электроэнергии.

4. Потребление электроэнергии.

Для производства электроэнергии на электростанциях устанавливаются агрегаты, состоящие их первичного двигателя с целью получения механической энергии и приводимой им во вращение электрической машины, в которой происходит преобразование механической энергии в электрическую. Такие электрические машины называются генераторами.

В настоящее время электроэнергия производится на центральных электростанциях в форме 3-х фазного переменного тока промышленной частоты 50 Гц. Напряжение генераторов обычно не превосходит 15 кВ. Чтобы повысить напряжение между генератором и линией электропередачи устанавливаются электромагнитные статические аппараты – трансформаторы. В этом случае они являются повышающими и по мощности должны соответствовать мощности установленных на станциях генераторов. В линиях электропередачи напряжение составляет 10, 35, 110, 220, 750 кВ.

После передачи в район потребления происходит распределение электроэнергии посредством распределительных сетей, напряжение в которых составляет 10кВ, 6.3кВ, 660В, 380В, 220В. Необходимое понижение напряжения достигается с помощью трансформаторов, которые в данном случае называются понижающими. Таким образом, трансформаторы являются одним из важнейших элементов электроэнергетических систем. Изучение устройства, принципа действия трансформаторов различных типов является одним из разделов курса «Электрические машины».

Последним этапом электроэнергетического процесса является потребление электроэнергии различными приемниками, из которых наибольшее значение имеет электродвигатель, т.е. машина, преобразующая электрическую энергию в механическую. Соединение электродвигателя с исполнительным механизмом (станком, насосом и т.п.) называется электроприводом.

Основные законы электротехники в применении к теории электрических машин. Сущность физического явления электромагнитной индукции, использование которого положено в основу принципа действия самых различных электрических машин и аппаратов, заключается в том, что в проводнике (контуре), перемещающемся в магнитном поле и пересекающем его силовые линии, индуктируется электродвижущая сила — э. д. с. (рис. 1).

Рис. 1. Наведение э.д.с. в проводнике

Согласно закону электромагнитной индукции, мгновенное значение э. д. с, наведенной в проводнике, когда тот движется в плоскости, перпендикулярной направлению магнит­ных силовых линий, определяется выражением:

(1)

где е — мгновенное значение э. д. с, В; В — магнитная индукция, Тл; l — длина активной части проводника, т. е. той его части, кото­рая пересекает силовые линии магнитного поля, м; v — скорость перемещения проводника относительно магнит­ного поля, м/с.

В соответствии с другой формулировкой закона электромагнит­ной индукции наведенная в контуре э. д. с. пропорциональна ско­рости изменения магнитного потока Ф, пронизывающего контур:

(2)

Знак «минус» в этой формуле показывает, что ток в контуре стре­мится противодействовать изменению потока, пронизывающего кон­тур. Если магнитный поток Ф, пронизы­вающий контур, уменьшается, то ток в контуре направлен таким образом, что созданный им магнитный поток стремится увеличить убывающий маг­нитный поток Ф (и наоборот).

Направление э. д. с. в проводнике определяют по правилу правой руки:

если ладонь правой руки расположить в магнитном поле так, чтобы силовые линии поля были направлены в ладонь, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони на 90⁰, показывал направление движения проводника, то остальные пальцы, вытянутые в плоскости ладони, покажут направление индуктированной в проводе э.д.с.

Направление э. д. с. и тока в проводе от нас, т. е. за плоскость чертежа, принято обозначать в сечении провода крестиком (+), а к нам — точкой (•) (рис.2).

Рис. 2. Усл. обозначения Рис. 3. Правило буравчика

Направление магнитных силовых линий вокруг провода с током определяют по правилу буравчика: если буравчик как бы ввинчивать в проводник, следуя за током, то направление вращения буравчика совпадет с направлением магнитных силовых линий поля, созданного током (рис.3).

При помещении проводника с током в магнитное поле постоянного магнита на проводник действует сила Ампера. Если ток в проводе идет от нас (рис. 4), то, по правилу буравчика, магнитные силовые линии вокруг проводника направлены по часо­вой стрелке. В результате сложения магнитных полей полюсов и проводника усилится магнитное поле справа от проводника и ослабится слева от него. К проводнику будет приложена сила, выталкивающая его в сторону ослабленного магнитного поля.

Рис. 4. Взаимодействие проводника