Дніпродзержинський енергетичний технікум

     Без використання електричної енергії неможливо уявити собі ні одну галузь народного господарства. Тому, що цей вид енергії, як ні один інший, легко виробляти, транспортувати, передавати на значні відстані та перетворювати в інші види енергії.

     Початок історії розвитку електричних машин, а з нею і початок використання їх на транспорті відноситься до 1834 р, коли російським академіком Б.С.Якобі був створений перший у світі електродвигун постійного струму з якорем, котрий обертається. Двигун живився від гальванічних елементів. Двигун Б.С. Якобі був встановлений на катері, який з 16 пасажирами на борту міг пересуватися по Неві не тільки за течією, але й проти неї. В основу роботи електричного двигуна Б.С.Якобі поклав закон електромагнітної індукції, відкритий у 1831 році англійським фізиком М.Фарадеєм.

     Перший час як російські, так і іноземні вчені та інженери працювали над вдосконаленням машин постійного струму, які до кінця 80-х років минулого століття прийняли сучасний вигляд.

     У 1883-1889 рр. російський інженер М.О.Доліво-Добровольський розробив систему трифазного струму, винайшов трифазний генератор і асинхронний двигун трифазного струму, а також здійснив передачу енергії трифазного струму на відстань. Праці М.О.Доліво-Добровольського і сербського фізика Н.Тесла стали поштовхом до розвитку електричних машин змінного струму.

     Електроенергія, котру споживають електродвигуни на електростанціях, виробляється за допомогою електричних машин великої потужності - генераторів. Для передачі її на відстань служать статичні електромагнітні апарати - трансформатори, які перетворюють електричну енергію змінного струму однієї напруги в таку саму енергію іншої напруги. Трансформатори створили в1876-1882-рр. російські винахідники П.Н.Яблочков та І. Ф. Усагін. У 1890-1891 рр. М.О.Доліво-Добровольсмшй запропонував конструкцію трифазного трансформатора, яка принципово збереглася до наших днів.

    Трансформатори не мають рухомих частин і не є машинами, але їх вивчають разом з електричними машинами тому, що в основу теорії трансформаторів та електричних машин закладені одні й ті ж самі закони, а в їх конструкціях застосовуються одні, й ті ж самі матеріали.

    Перші досліди по застосуванню електричних машин на залізничному транспорті були проведені у 1876 році російським інженером Ф.А.Піроцьким, котрий використав рейки для передачі електричної енергії і тим: самим здійснив контактне живлення електричного рухомого складу.

     Значний внесок в розвиток, теорії електромагнітних явищ, що проходять в електричних машинах внесли радянські вчені Б.А.Введенський, В.К.Аркдьєв, Н.С.Акулов, В.Ф.Миткевич, К.А.Круг та ін.. Теорії проектування сучасних електричних машин присвячені праці К.І.Шенфера, М.П.Костенко, А.Є.Алєксєєва, В.А.Толвинського, Л.М.Піотровського та ін..

    Електричні машини мають надзвичайно широке поширення. Вони застосовуються в різних галузях промисловості, сільського господарства, в енергетиці, авіації, морському і річковому флоті, медицині, побуті, на транспорту і т.д. Немає жодної галузі промисловості, де б не знаходили застосування електричні машини.

     Існує велика різноманітність електричних машин. Вони розрізняються за принципом дії, потужності, частоті обертання. Габаритні розміри машин коливаються в широких межах - від кількох міліметрів до 16 м.

    Що представляють собою електричні машини? Електричні машини є електромеханічними перетворювачами, в яких механічна енергія перетворюється в електричну або, навпаки, електрична в механічну. Ті електричні машини, в яких відбувається перетворення механічної енергії в електричну, називаються електричними генераторами, а машини, в яких відбувається зворотнє перетворення, називаються електричними двигунами.

     В основі принципу дії електричного генератора лежить закон електромагнітної індукції. Згідно з цим законом при русі провідника в магнітному полі в ньому індукується ЕРС

 e = BlV,

 де В - нормальна складова індукції магнітного поля в точці розташування провідника; l - активна довжина провідника, тобто довжина, протягом якої він розташований в магнітному полі; V - швидкість руху провідника в однорідному магнітному полі в напрямку, перпендикулярному магнітним лініям. Напрямок індуктірованной ЕРС визначається за правилом правої руки (рис.1). Для виникнення ЕРС істотно, щоб провідник перетинав магнітні лінії.    Тому байдуже, чи рухається провідник у нерухомому магнітному полі або рухається магнітне поле, а провідник залишається нерухомим.

 

 

Рис. 1. До правила правої руки

 

     Для збільшення ЕРС машини в магнітному полі звичайно розміщується не один, а ряд послідовно з'єднаних провідників, що утворюють обмотку. Та частина машини, на якій розміщується ця обмотка, називається якорем, а сама обмотка - обмоткою якоря. До обмотки якоря підключається зовнішній ланцюг.

 

Рис. 2. Схема електричної машини:

1 - статор; 2 - ротор; 3 - підшипникові щіти; 4 - підшипники

 

     Щоб отримати по можливості сильне магнітне поле, магнітна система машини, де замикається це поле, виконується з феромагнітних матеріалів. Конструктивно магнітна система машини складається з обертаючоїся і нерухомою частин, між якими є повітряний зазор (рис. 2). Нерухома частина магнітної системи разом з розміщеною на ній обмоткою і корпусом, в якому закріплюється ця частина, називається статором. Частина магнітної системи, що обертається, носить назву ротора. Ротор обертається в підшипниках, закріплених в торцевих (підшипникових) щитах. В залежності від призначення і типу машини обмотка якоря може розміщуватись або на обертаючийся (ротор) або на нерухомій (статор) частини машини. Тоді відповідно на іншій частині машини розташовується обмотка збудження, що створює магнітне поле машини. В генераторах ротор приводиться до обертання стороннім двигуном або турбіною. Якщо до обмотки якоря підключити навантаження (резистор, котушку індуктивності, конденсатор), то по обмотці потече струм і машина буде віддавати енергію в мережу. В даний час основними джерелами електроенергії є електричні генератори, які встановлені на всіх електростанціях.

     Конструктивно пристрій електродвигуна такий же, як і генератора. Для того щоб машина стала працювати двигуном, до її якоря необхідно ззовні підвести напругу. Тоді по провідникам обмотки якоря потече струм. В результаті взаємодії цього струму з магнітним полем виникає момент, який приведе ротор до обертання. Напрямок обертання визначається за правилом лівої руки (рис.3). За допомогою двигунів приводяться в рух верстати, транспортні засоби та інші механізми. На електростанціях різних типів електродвигуни приводять в рух механізми власних потреб. Більше половини виробленої електроенергії споживається електричними двигунами.

 

 

Рис.3. До правила лівої руки

 

     З розгляду принципів дії генератора і двигунів видно, що одна і та ж машина може працювати як двигуном, так і генератором. Якщо до валу машини підводити механічну енергію (обертати ротор), то в машині вона може бути перетворена в електричну енергію. Машина буде працювати генератором. Навпаки, якщо до обмотки тієї ж машини підвести електричний струм, то електрична енергія буде перетворюватися в механічну і машина буде працювати двигуном. Таким чином, електрична машина оборотна. Принцип оборотності електричних машин був встановлений акад. Е. X. Ленцем в 1883г. Він застосовується до будь-якої електричної машині. Однак кожна випускаєма заводом-виготовником електрична машина проектується і призначається  для одного, визначеного режиму роботи (двигуном або генератором). При цьому виявляється можливим  найкращим чином пристосувати машину для заданих умов роботи.

 

Загальні відомості про машини постійного струму

 

     В даний час переважне поширення мають мережі змінного струму, тому в промисловості знаходять застосування головним чином машини змінного струму. Разом з тим широко використовуються і машини постійного струму, незважаючи на те що вартість їх вище, ніж машин змінного струму. Це пояснюється тим, що вони мають кращі експлуатаційні характеристики щодо регулювання частоти обертання, пуску, зміни напрямку обертання і допускають більш високі перевантаження в порівнянні з машинами змінного струму.

     Широке застосування машин постійного струму вимагає великої різноманітності їх номінальних даних (потужності, частоти обертання, напруги) і різних конструктивних виконань відповідно до умов їх установки та експлуатації.

     Машини постійного струму виготовляються на потужності від часток вата до 12000 кВт. Номінальна напруга їх зазвичай не перевищує 1500 В і тільки іноді для потужних машин доходить до 3000 В. Частота обертання машин коливається в широких межах - від декількох оборотів в хвилину до декількох тисяч.

Найбільш широке застосування знайшли машини постійного струму з механічним комутатором - колектором. Колектор ускладнює умови роботи машини, але досвід експлуатації в найважчих умовах роботи показав, що правильно спроектована і якісно виготовлена машина постійного струму є не менш надійною, ніж більш прості за конструкцією машини змінного струму.

 

 

Загальні відомості про машини змінного струму

 

Машини змінного струму підрозділяються на два основні види: асинхронні та синхронні.

    Асинхронні машини використовуються в основному як двигуни. В даний час асинхронні двигуни являються найбільш поширеними електричними машинами. Вони споживають близько 50% електричної енергії, виробляємої електричними станціями країни. Потреба в асинхронних двигунах безперервно зростає. Таке широке поширення асинхронні двигуни отримали через свою конструктивну простоту, низьку вартість, високу експлуатаційну надійность. Широкий діапазон потужностей, на які випускаються ці двигуни, - від часток вата до декількох тисяч кіловат. Вони мають відносно високий ККД: при потужностях більше 1 кВт η = 0,7 ÷ 0,95  і тільки в мікродвигуна він знижується до 0,2 - 0,65.

     Поряд з великими достоїнствами асинхронні двигуни мають і деякі недоліки. До них слід віднести споживання з мережі реактивного струму, необхідного для створення магнітного потоку, в результаті чого асинхронні двигуни працюють з cosφ ≠ 1. У двигунах потужністю понад cosφ = 0,7 ÷ 0,9, а в мікродвигуна cosφ = 0,3 ÷ 0,7. Крім того, за можливостями регулювати частоту обертання вони поступаються двигунам постійного струму.

     Асинхронні двигуни виготовляються для роботи від однофазних, двухфазних.і трифазних мереж змінного струму, але головним чином для трифазних мереж.

     Поява трифазних асинхронних двигунів пов'язано з ім'ям М. О. Доліво-Добровольського. Ці двигуни були винайдені ним в 1889 р. Запропонована М. О. Доліво-Добровольським конструкція асинхронних двигунів в основних рисах збереглася до наших днів.

 

     На всіх електричних станціях в якості джерел змінного струму використовуються синхронні генератори. Їх потужність  коливається від декількох кіловатт для автоном­них установок до 1000—1200 МВт для потужних електро­станцій. Синхронні двигуни також знаходять широке застосування. Вони виготовляються серійно потужністю від декількох десятків кіловатт до 10 МВт і більше на різні частоти обертання. Наряду з потужними двигунами широко випус­каються синхронні мікродвигуни різних типів потужністю від долей ватта до декількох сотен ватт.

     В порівнянні з асинхронними двигунами синхронні двигуни не тільки перетворюють електричну енергію в механічну, але й можуть генерувати реактивну потужність. Іноді синхронні двигуни, які працюють без навантаження на валу, використовуються в якості джерел і споживачів реактивної потужності (при цьому змінюється cosφ мережі). Такиі синхронні машини називають синхрон­ними компенсаторами.

 

Загальні відомості про трансформатори

     Трансформатором називається статичний електромагнітний пристрій, призначений для перетворення за допомогою електромагнітної індукції електричної енергії змінного струму однієї напруги в електричну енергію іншої напруги, а також для перетворення числа фаз і частоти. Цей пристрій найчастіше складається з двох (а іноді і більшого числа) взаємно нерухомих і електрично не пов'язаних між собою обмоток, що розташовуються на феромагнітному магнітопроводі (рис. 4.). Обмотки мають між собою магнітний зв'язок, здійснюваний змінним магнітним полем. Феромагнітний магнітопровід призначений для посилення магнітного зв'язку між обмотками.

 

 

Рис. 4.    Принцип    присторою  трансформатора

Іноді в трансформаторах феромагнітний магнітопровід може бути відсутнім. Такі трансформатори називаються повітряними. Вони застосовуються в спеціальних випадках при перетворенні змінних струмів високої частоти.

Трансформатори знаходять саме широке застосування. Існує дуже багато їх типів, що розрізняються як за призначенням, так і за виконання. Тут в першу чергу слід виділити групу силових трансформаторів, використовуємих при передачі і розподілі електроенергії, виробленої на електростанціях.

Встановлені на електричних станціях генератори виробляють електричну енергію відносно невисокої напруги (до 15,75 - 24 кВ). При передачі її до споживачі, розташованих на відстані в кілька сотен або навіть тисяч кілометрів, для зменшення перерізів проводів лінії і втрат енергії в них доцільно цю енергію перетворити, зменшивши струм в лінії шляхом відповідного підвищення напруги. Напруга лінії електропередачі приймають тим вище, чим більше довжина лінії і передана потужність. В сучасних електричних мережах енергія передається при напругах до 750 -1150 кВ. Підвищення напруги на електростанціях здійснюється за допомогою підвищуючих трансформаторів. В кінці лінії електропередачі встановлюються трансформатори, які знижують напругу, тому що для розподілу енергії по заводам, фабрикам, житловим домам і т. п. необхідні порівняно низькі напруги.

При передачі електричної енергії від місця її виробництва до місця споживання потрібно багаторазова її трансформація. Тому потужність всіх трансформаторів, встановлених в електричній мережі, в 7 - 8 разів перевищує загальну потужність генераторів. Одинична потужність силових трансформаторів коливається від декількох кіловольт-ампер до сотень тисяч кіловольт-ампер.

Поряд з силовими трансформаторами широке розповсюдження отримали спеціальні трансформатори (зварювальні, для живлення електродугових печей, вимірювальні та ін.) Трансформатори невеликих потужностей знаходять широке застосування в пристроях зв'язку, радіо, телебачення, системах автоматики і ін.