При самостоятельной работе студентов по курсу электрические машины необходимо выделить главные вопросы в каждом из разделов курса, которые приведены ниже.
.1. Трансформаторы
Необходимо ознакомиться с конструкцией однофазных и трехфазных трансформаторов.
В теории трансформаторов главными являются следующие вопросы:
1. Наведение вторичной ЭДС при холостом ходе и нагрузке.
2. Основные уравнения, векторные диаграммы и схемы замещения.
3. Исследование рабочего процесса трансформатора с использованием параметров холостого хода и короткого замыкания.
4. Потери и коэффициент полезного действия.
5. Группы соединений и параллельная работа трехфазных трансформаторов.
6. Возникновение высших гармоник тока и потока при холостом ходе трансформатора.
7. Переходные процессы.
Необходимо повторить раздел "Трансформаторы" из курса "Теоретические основы электротехники". Следует изучить основные уравнения рабочего процесса двухобмоточных трансформаторов, ознакомиться с приведением параметров вторичной обмотки к первичной и изучить схемы замещения и соответствующие им векторные диаграммы трансформатора при различном характере нагрузки. Необходимо ознакомиться с определением других параметров короткого замыкания - активных сопротивлений и параметров холостого хода расчетным и опытным путем.
При изучении групп соединений следует уяснить условный прием "часов", когда положению минутной стрелки, указывающей 12 часов, соответствует высшее напряжение, часовой - низшее, и угол между стрелками соответствует сдвигу между линейными напряжениями.
Следует изучить условия параллельной работы трансформаторов, важнейшим из которых является тождественность групп соединений; проанализировать, как будет протекать параллельная работа при различии в коэффициентах трансформации и в напряжениях короткого замыкания. Необходимо знать, какие группы являются стандартными.
Вследствие нелинейной зависимости между намагничивающим током и потоком возникают высшие гармонические в кривых потока и тока. Поэтому студент должен ознакомиться с условиями возникновения высших гармонических, в особенности наиболее выраженной третьей гармонической, в кривых тока, магнитного потока и фазных ЭДС. Необходимо уяснить зависимость высших гармонических от схемы соединений, наличия нулевого провода и от конструкции сердечника трансформатора.
При анализе переходных процессов необходимо ознакомиться с дифференциальными уравнениями, описывающими эти процессы.
.2. Общие вопросы машин переменного тока.
В этом разделе основными являются следующие вопросы:
1. Принцип построения обмоток и наведение ЭДС.
2. Влияние укорочения шага и распределения обмоток по пазам на величину ЭДС, расход меди и величину КПД.
3. Основная и высшие гармонические НС и магнитного поля трехфазных обмоток.
Студент должен изучить наведение ЭДС в зависимости от устройства обмотки, для чего необходимо следующее:
а) проанализировать, как определяется обмоточный коэффициент однослойных и двухслойных обмоток;
б) уметь рассчитывать коэффициенты распределения и укорочения и выбирать оптимальный шаг обмотки;
в) ознакомиться с влиянием укорочения шага на величину высших гармоник.
Необходимо ясно представлять, что вращающееся поле создается тремя однофазными полями, неподвижными в пространстве и сдвинутыми в пространстве и во времени друг относительно друга на 120 электрических градусов
.3. Асинхронные машины.
Изучение асинхронных машин следует начать с их конструкции. Необходимо пояснить различие между асинхронными двигателями с кольцами и с короткозамкнутой обмоткой ротора. Следует разобраться в преимуществах и недостатках обоих типов двигателей.
В теории асинхронных машин основными являются следующие разделы:
1. Создание магнитного поля взаимодействием НС статора и ротора.
2. Основные уравнения рабочего процесса, векторные диаграммы, схемы замещения.
3. Исследование работы асинхронной машины с помощью: а) схемы замещения, б) круговой диаграммы.
4. Вращающий момент асинхронного двигателя, механические характеристики. Влияние высших гармонических на вращающий момент.
5. Регулирование скорости асинхронного двигателя.
6. Потери и КПД асинхронной машины. Энергетическая диаграмма.
7. Работа двигателя при неноминальных условиях.
8. Переходные процессы, работа АД при несимметрии питающей сети.
Приступая к изучению теории асинхронных машин, необходимо повторить из раздела "Трансформаторы" векторные диаграммы, схемы замещения и приведение вторичных величин (ротора) к числу витков первичной обмотки (статора).
При изучении магнитного поля асинхронной машины необходимо ясно представлять, что НС обмоток статора и ротора вращаются в пространстве с одинаковой (синхронной) скоростью, и их совместное действие создает вращающееся поле.
При пользовании векторными диаграммами важно помнить, что частота в роторе отличается от частоты статора. Следует изучить схемы замещения асинхронной машины, искусственное приведение Т-образной схемы к Г-образной и уточненную круговую диаграмму асинхронной машины, основанную на этой схеме.
При изучении двигателей необходимо уделить особое внимание механическим характеристикам, т.е. зависимости вращающего момента от скорости (или скольжения) как для рабочего, так и для пускового режимов. Надо ознакомиться с влиянием высших гармонических, создающих паразитные моменты, на характеристику вращающего момента.
.4. Синхронные машины
В теории синхронных машин основными являются следующие разделы:
1. Реакция якоря и ее влияние на работу явно- и неявнополюсной машины.
2. Параметры синхронной машины.
3. Основные уравнения и векторные диаграммы синхронной машины.
4. Параллельная работа с сетью. Статическая и динамическая устойчивость. Колебания синхронной машины.
5. Синхронные двигатели.
6. Потери в синхронной машине.
При изучении синхронных машин прежде всего следует ознакомиться с их конструкцией и принципом действия, после чего перейти к изучению реакции якоря, так как поле реакции якоря, взаимодействуя с главным полем машины, определяет ее поведение в зависимости от характера нагрузки. Необходимо ясно представлять отличие в действии реакции якоря у явнополюсной машины по сравнению с неявнополюсной. Следует уяснить, что для удобства анализа у явнополюсной машины рассматривают два поля: по продольной оси (совпадающей с осью полюса) и по поперечной оси (находящейся в квадратуре с ним), и что влияние продольного и поперечного полей реакции якоря учитывается сопротивлениями Xd и Xq.
При анализе синхронных машин принято оперировать с долевыми (или относительными) единицами. Это представляет большие удобства, так как упрощаются все расчеты. Когда необходимо получить численные результаты, без затруднения переходят от долевых единиц к абсолютным величинам.
Изучение векторных диаграмм должно сопровождаться анализом соответствующих векторных уравнений. Уравнения помогают уяснить физический смысл процессов, происходящих в машине, количественные соотношения, а векторные диаграммы дают представление о пространственных и временных соотношениях.
Практически все мощные синхронные генераторы работают параллельно с сетью большой мощности. Поэтому очень важно знать условия, при которых генератор может включаться на параллельную работу с сетью.
При работе синхронного генератора в мощной энергетической системе очень важными являются проблемы статической и динамической устойчивости. Для сохранения синхронизма при резких изменениях нагрузки, в особенности при авариях, когда значительно падает напряжение, применяют быстродействующие регуляторы. Автоматическое регулирование возбуждения искусственно обеспечивает устойчивость в тяжелых условиях. Вопросы устойчивости особенно важны для работы сверхдальних линий передачи.
В современных промышленных установках для мощных приводов широко применяются синхронные двигатели. Следует ясно представлять, что синхронный генератор, работающий параллельно с сетью, переводится в двигательный режим при изменении момента вращения на валу до нуля и далее до отрицательной величины. При этом изменяется активная мощность синхронной машины. Если изменяют лишь один ток возбуждения, то изменяется реактивная мощность, а активная сохраняет свое значение. Изменение возбуждения и связанное с ним изменение тока якоря изображаются U-образными кривыми, имеющими две ветви соответственно индуктивному и емкостному характеру нагрузки для генератора или соответственно перевозбуждению и недовозбуждению синхронного двигателя.
При изучении пуска синхронных двигателей необходимо ознакомиться с современными методами, обеспечивающими благоприятные пусковые характеристики.
Необходимо отчетливо представлять себе преимущества и недостатки синхронных двигателей по сравнению с асинхронными.
.5. Машины постоянного тока
В теории машин постоянного тока основными являются следующие разделы:
1. Наведение ЭДС при холостом ходе.
2. Возникновение и действие реакции якоря.
3. Коммутация и дополнительные полюса.
4. Схемы возбуждения и характеристики генераторов.
5. Схемы возбуждения и характеристики двигателей.
Необходимо ознакомиться с принципами образования обмоток (простых и сложных) и их классификацией, изучить условия симметрии различных типов обмоток и уяснить роль уравнительных соединений.
Следует изучить влияние реакции якоря, понять действие продольной и поперечной составляющих НС поля якоря, выяснить их влияние на величину результирующего потока и вращающего момента. Важно разобраться в том, как влияет поле якоря на положение физической нейтрали и как оно искажает форму кривой результирующего поля.
При изучении процесса коммутации обратить особое внимание на возникновение реактивной ЭДС и ЭДС вращения от внешних полей, в связи с этим выяснить роль дополнительных полюсов, их полярность и автоматичность действия.
Необходимо изучить условия возникновения искрения на коллекторе.
Схемы возбуждения генераторов изучаются совместно с характеристиками последних.
Нужно отчетливо представлять различие в характеристиках генераторов с независимым, параллельным и смешанным возбуждением и причин этого различия. Необходимо выяснить, при каких условиях возможно самовозбуждение генератора с параллельным возбуждением.
При изучении двигателей необходимо усвоить основные уравнения, по которым определяются их рабочие, пусковые и регулировочные свойства.
Целью и задачами лабораторных занятий является закрепление теоретических знаний, полученных на лекциях, а также овладение навыками сборки схем электрических машин и трансформаторов, экспериментального определения их характеристик и параметров.
