Русская Википедия:Электромеханика

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Шаблон:Комплексная наука Электромеха́ника — раздел электротехники, в котором рассматриваются общие принципы электромеханического преобразования энергии[1][2] и их практическое применение для проектирования и эксплуатации электрических машин[3].

Предметом электромеханики является управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую и механической — в электрическую, включая генерирование и трансформацию электрической энергии[4].

Электромеханика как наука рассматривает вопросы создания и совершенствования силовых и информационных устройств для взаимного преобразования электрической и механической энергии, электрических, контактных и бесконтактных аппаратов для коммутации электрических цепей и управления потоками энергии[5].

В соответствии с общероссийским классификатором специальностей по образованию электромеханика является специальностью высшего профессионального образования, подготовка по которой осуществляется в рамках направления 140600 — «Электротехника, электромеханика и электротехнологии»[6][7].

История электромеханики[2]

Одной из первых работ по электромеханике является работа, посвящённая теории и проектированию обмоток электрических машин постоянного тока, которая была опубликована в 1891 году швейцарским учёным Энгельбертом Арнольдом[8].

В первые три десятилетия XX в. в трудах Э. Арнольда, А. Блонделя, М. Видмара, Л. Дрейфуса, М. П. Костенко, К. А. Круга и В. А. Толвинского была разработана теория установившихся режимов электрических машин.

В 1895 г. А. Блондель предложил метод двух реакций для анализа синхронных машин.

В 1929 г. Шаблон:Нп5, используя метод двух реакций, вывел дифференциальные уравнения синхронной машины, названные его именем.

В 1938—1942 гг. Г. Крон создал обобщенную теорию электрических машин (дифференциальные уравнения идеализированной обобщенной электрической машины) и разработал методы тензорного и матричного анализов электрических цепей и машин.

В 1963 г. И. П. Копылов предложил математическую модель обобщенного электромеханического преобразователя для несинусоидального магнитного поля в воздушном зазоре, применимую для симметричных и несимметричных электрических машин с любым числом фаз обмоток статора и ротора и учитывающую нелинейность изменения их параметров.

Альтернативные определения электромеханики

Академик А. Г. Иосифьян дал общее определение электромеханики: «Электромеханика — наука о движении и взаимодействии вещественных инерциальных макроскопических и микроскопических тел, связанных с электрическими и магнитными полями»[9]. Учитывая то, что для приведения покоящегося тела в движение требуется действие силы, определение, данное Иосифьяном А. Г., может быть приведено к следующей форме: «Электромеханика — обобщенное учение о силах, действующих в электромагнитном поле и о проблемах, связанных с проявлением этих сил»[10].

В зарубежных источниках встречается следующее определение: «Электромеханика — технология, рассматривающая вопросы, связанные с электромеханическими компонентами, устройствами, оборудованием, системами или процессами»[11], где под электромеханическими компонентами подразумеваются электрические машины.

Области знаний, используемые в электромеханике

Основные понятия

Основные законы электромеханики

Как правило, под законами электромеханики подразумевают следующие законы электродинамики, необходимые для анализа процессов и проектирования электромеханических преобразователей[12].

1. Закон электромагнитной индукции Фарадея:

<math> \mathcal{E} = -\frac {d \Phi} {dt} = B \cdot \ell \cdot v ,</math>

где <math> \mathcal{E} </math> — ЭДС, <math>\Phi</math> — магнитный поток, <math>B</math> — магнитная индукция в данной точке поля, <math> \ell </math> — активная длина проводника в пределах равномерного магнитного поля с индукцией <math>B</math>, расположенного в плоскости, перпендикулярной к направлению магнитных силовых линий, <math> v </math> — скорость проводника в плоскости, нормальной к <math>B</math>, в направлении, перпендикулярном к <math> \ell </math>.

2. Закон полного тока для магнитной цепи (1-е уравнение Максвелла в интегральной форме):

<math>\oint\vec{H}\cdot \vec{dl}= \sum i,</math>

где <math>\vec{H}</math> — вектор напряженности магнитного поля, <math>\vec{dl}</math> — элементарное перемещение вдоль некоторого пути в магнитном поле, <math>\sum i,</math> — величина полного тока, который охватывается контуром интегрирования.

3. Закон электромагнитных сил (закон Ампера).

<math> F = B \cdot I \cdot \ell .</math>

Профессор МЭИ Копылов И. П. сформулировал три общих закона электромеханики[13]:

1-й закон: Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться без потерь, его КПД всегда меньше 100 %.
2-й закон: Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.
3-й закон: Электромеханическое преобразование энергии осуществляется неподвижными друг относительно друга полями. Ротор может вращаться с той же скоростью, что и поле (в синхронных машинах), или с другой скоростью (в асинхронных машинах), однако поля статора и ротора в установившемся режиме неподвижны относительно друг друга.

Основные уравнения

1.Основное уравнение электрической машины[14] — уравнение, связывающее между собой величины диаметра ротора и длины ротора с мощностью двигателя и числом оборотов в минуту:

<math> \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} = \frac{5,5 \cdot 10^3}{\cos \varphi \cdot k_1 \cdot \alpha_\sigma \cdot B_m \cdot A} ,</math>

где <math> D </math> — диаметр ротора, <math> l </math> — длина ротора, <math> n_1 </math> — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора), <math> P </math> — мощность электрической машины в кВт, <math> \cos \varphi </math> — коэффициент мощности, <math> k_1 </math> — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, <math>B_m </math> — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины, <math> A </math> — «линейная нагрузка», равная числу амперпроводников, приходящихся на 1 погонный сантиметр длины окружности статора. Правая часть основного уравнения для данного (известного) типа машины изменяются в сравнительно узких пределах и называется «машинной постоянной» или постоянной Арнольда

<math> C_A = \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} . </math>

2.Уравнения равновесия напряжений обмоток электрической машины — уравнения, составленные для цепей обмоток на основании второго закона Кирхгофа

Для асинхронной машины с короткозамкнутым ротором уравнения равновесия напряжений имеют вид[15]:
<math> \dot U_s = R_s \cdot \dot I_s + j \cdot x_{\sigma s} \cdot \dot I_s - \dot E_s </math>
<math> 0 = R_r \cdot \dot I_r + j \cdot s \cdot x_{\sigma r} \cdot \dot I_r - s \cdot \dot E_r , </math>
где <math> \dot U_s</math> — фазное напряжение статора, <math> \dot I_s </math> и <math> \dot I_r </math> — фазные токи статора и ротора, <math> R_s </math> и <math> R_r </math> — активные сопротивления обмоток статора и ротора, <math>x_{\sigma s} </math> и <math> x_{\sigma r} </math> — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора, <math>\dot E_s </math> и <math>\dot E_r</math> — ЭДС, индуктированные в обмотках статора и ротора результирующим магнитным потоком полей статора и ротора.

3.Уравнение электромагнитного момента

Уравнение электромагнитного момента асинхронной машины имеет вид[16]:
<math> \Mu_e = \frac{m_s \cdot p \cdot U_s^2}{\omega_s}\cdot \frac{R_r'/s}{(R_s + R_r / s)^2 + (\omega_s \cdot L_k)^2},</math>

где <math>m_s</math> — число фаз обмотки статора, <math>p</math> — число пар полюсов, <math>U_s</math> — действующее значение напряжения статора, <math>\omega_s</math> — частота тока статора, <math>R_r'</math> — активное сопротивление ротора, приведённое к статору, <math>R_s</math> — активное сопротивление фазной обмотки статора, <math>L_k </math> — индуктивное сопротивление короткого замыкания, приблизительно равное сумме индуктивности рассеяния статора и приведённой к статору индуктивности рассеяния ротора <math>L_k \approx Ls\sigma + L'r\sigma</math>.

Уравнение электромагнитного момента синхронной машины[15] :
<math> \Mu_e = \frac{m_s \cdot U_s \cdot E}{\omega_s \cdot x_d} \cdot \sin \Theta + \frac{m_s \cdot U_s^2}{2 \cdot \omega_s} \cdot \left(\frac{1}{x_q}-\frac{1}{x_d} \right) , </math>

где <math>E</math> — ЭДС, индуктируемая в обмотке статора потоком ротора, <math>\Theta</math> — угол нагрузки (угол сдвига фаз между ЭДС и напряжением статора), <math> x_d, x_q</math> — продольное и поперечное синхронные индуктивные сопротивления обмотки статора.

Вопросы, рассматриваемые в электромеханике

В соответствии с ГОСТом[4], определяющим содержание подготовки выпускников вузов по специальности "Электромеханика, " в электромеханике рассматриваются следующие вопросы:

Учебники по электромеханике содержат такие темы как[12]:

Основные проблемы электромеханики

  1. Расчёт электрических машин с нелинейными параметрами с учётом таких факторов как: насыщение, вытеснение тока, изменение момента инерции, ударные моменты нагрузки, несинусоидальность напряжения[17].
  2. Оптимизация электрических машин (по КПД, по отношению момента к массе и др.).

См. также

Примечания

Шаблон:Примечания

Ссылки

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Шаблон:Книга
  2. ↑ 2,0 2,1 Шаблон:Книга
  3. ↑ Шаблон:Книга
  4. ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Книга
  5. ↑ Шаблон:Cite web
  6. ↑ ОКСО 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии
  7. ↑ Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Электромеханика Шаблон:Wayback. Российское образование. Федеральный портал
  8. ↑ Шаблон:Cite web
  9. ↑ Шаблон:Книга Шаблон:Cite web
  10. ↑ Шаблон:Книга
  11. ↑ Шаблон:Книга
  12. ↑ 12,0 12,1 Шаблон:Книга
  13. ↑ Шаблон:Книга
  14. ↑ Шаблон:Cite web
  15. ↑ 15,0 15,1 Шаблон:Книга
  16. ↑ Шаблон:Книга
  17. ↑ Шаблон:Книга
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Электромеханика&oldid=11397511