Содержание
Предыдущий § Следующий

ВВЕДЕНИЕ

В-1. Электрические машины и их значение в народном хозяйстве

Значение электрической энергии в народном хозяйстве и в быту непрерывно возрастает. Важная роль в построении коммунистического общества принадлежит электрификации, что выражено в гениальной формулировке В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть советская власть плюс электрификация всей страны».

Электрификация промышленности, транспорта, сельского хозяйства и быта населения обусловливает необходимость применения разнообразного электротехнического оборудования. Одним из основных видов этого оборудования являются электрические машины, которые служат для преобразования механической энергии в электрическую и обратно — электрической энергии в механическую, а также для преобразования одного рода электрической энергии в другой.

Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью электрических машин, называемых электрическими генераторами. Генераторы приводятся во вращение с помощью паровых, гидравлических и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и других первичных двигателей.

Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, снова превращается в механическую для приведения в действие различных машин и механизмов. Для этой цели применяются электрические машины, называемые электрическими двигателями.

На современных электростанциях обычно вырабатывается переменный ток, и для передачи его к потребителям через линии электропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются трансформаторами. Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращающихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и поэтому их также относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова. Существуют также другие разновидности электрических машин.

В зависимости от рода тока электрические машины подразделяются на машины постоянного и переменного тока. Электрические машины изготовляются на очень широкие пределы мощностей — от долей ватта до миллиона киловатт и выше.

Выработка электрической энергии в нашей стране возросла с 507 млрд. квт-ч в 1965 г. до 740,4 млрд. квт-ч в 1970 г., т. е.

в 1,46 раза. Приблизительно во столько же раз увеличилось также производство электрических машин.

В 1970 г. в СССР было изготовлено электрических генераторов на суммарную мощность 10,6 млн. кет, трансформаторов — на мощность 105,9 млн. кв-а, электродвигателей переменного тока с единичной мощностью более 0,25 кет — на суммарную мощность 33,3 млн. кет. Кроме того, выпущено весьма большое количество электродвигателей меньшей мощности, машин постоянного тока и разнообразных специальных видов маломощных электрических машин для применения в автоматизированных транспортных, оборонных и других установках.

В-2. Общие сведения об электрических машинах

Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины называются индуктивными. Возможно также создание электрических машин, в которых энергия преобразуется посредством электрического поля (емкостные машины), однако такие машины существенного практического распространения не имеют. Это объясняется следующим.

В обоих классах машин взаимодействие между отдельными частями машины и преобразование энергии происходят через поле, существующее в среде, которая заполняет пространство между взаимодействующими частями машины. Этой средой обычно является воздух или другое вещество с подобными же магнитными и электрическими свойствами. Однако при практически достижимых интенсивностях магнитного и электрического полей количество энергии в единице объема такой среды будет при магнитном поле в тысячи раз больше, чем при электрическом. Поэтому при одинаковых внешних размерах или габаритах машин обоих классов индуктивные машины будут развивать значительно большую мощность.

Для получения по возможности более сильных магнитных полей применяются ферромагнитные сердечники, которые являются неотъемлемыми частями каждой электрической машины. При переменных магнитных полях сердечники с целью ослабления вихревых токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии изготовляются из листовой электротехнической стали. Другими неотъемлемыми частями электрической машины являются обмотки из проводниковых материалов, по которым протекают электрические токи. Для электрической изоляции обомоток применяются различные электроизоляционные материалы.

Как будет установлено в последующих разделах книги, электрические машины обладают свойством обратимости: каждый электри-

ческий генератор может работать в качестве двигателя и наоборот, а в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. Однако каждая выпускаемая электромашиностроительным заводом вращающаяся машина обычно предназначается для одного, определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансформаторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая (вторичная обмотка) — для отдачи энергии. При этом оказывается возможным наилучшим образом приспособить машину для заданных условий работы и добиться наилучшего использования материалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу веса машины.

Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванными перемагничиванием ферромагнитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и т. д. Поэтому потребляемая электрической машиной мощность всегда больше отдаваемой, или полезной, мощности, а коэффициент полезного действия (к. п. д.) меньше 100%. Тем не менее электрические машины по сравнению с тепловыми и некоторыми другими типами машин являются весьма совершенными преобразователями энергии с относительно высокими коэффициентами полезного действия. Так, в самых мощных электрических машинах к. п. д. равен 98—99,5%, а в машинах мощностью 10 вт. к. п. д. составляет 20—40%. Такие величины к. п. д. при столь малых мощностях во многих других типах машин недостижимы.

Высокие энергетические показатели электрических машин, удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на самые разнообразные мощности, скорости вращения, а также удобство обслуживания и простота управления обусловили повсеместное их широкое распространение.

Теряемая в электрических машинах энергия превращается в тепло и вызывает нагревание отдельных их частей. Для надежности работы и достижения приемлемого срока службы нагревание частей машины должно быть ограничено. Наиболее чувствительными в отношении «нагревания являются электроизоляционные материалы, и именно их качеством определяются допустимые уровни нагревания электрических машин. Большое значение имеет также создание хороших условий отвода тепла и охлаждения электрических машин.

Потери энергии в электрической машине увеличиваются с повышением ее нагрузки, а вместе с этим увеличивается и нагревание машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допускаемая

для данной машины, определяется главным образом допустимым уровнем ее нагревания, а также механической прочностью отдельных частей машины, условиями токосъема на скользящих контактах и т. д. Напряженность режима работы электрических машин переменного тока в отношении электромагнитных нагрузок (величины магнитной индукции, плотности тока и т. д.), потерь энергии и нагревания определяется не активной, а полной мощностью, так как величина магнитного потока в машине определяется полным напряжением, а не его активной составляющей. Полезная мощность, на которую рассчитана электрическая машина, называется номинальной. Все другие величины, которые характеризуют работу машины при этой мощности, также называются номинальными. К ним относятся: номинальные напряжение, ток, скорость вращения, к. п. д. и другие величины, а для машины переменного тока также номинальная частота и номинальный коэффициент мощности (cos ф).

Основные номинальные величины указываются в паспортной табличке (на щитке), прикрепленной к машине. Принято, что для двигателя номинальная мощность является полезной мощностью на его валу, а для генератора — электрической мощностью, отдаваемой с его выходных зажимов. При этом для генераторов переменного тока дается либо полная, либо активная номинальная мощность (по последним стандартам СССР — полная мощность). Для трансформаторов и некоторых других машин переменного тока в табличке всегда указывается полная номинальная мощность.

Номинальные величины, методы испытаний электрических машин, а также другие их технико-экономические данные и требования регламентируются в СССР государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины.

Номинальные напряжения электрических машин согласованы в ГОСТ со стандартными номинальными напряжениями электрических сетей. Номинальные напряжения для электрических двигателей и первичных обмоток трансформаторов при этом берутся равными стандартным напряжениям электрических сетей, а для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов — на 5—10% больше с целью компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее употребительные номинальные напряжения электрических машин следующие: для двигателей постоянного тока ПО, 220 и 440 в, для генераторов постоянного тока 115, 230 и 460 в, для двигателей переменного тока и первичных обмоток трансформаторов 220, 380, 660 в и 3, 6, 10 кв, для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов 230, 400, 690 в и 3,15; 6,3; 10,5; 21 кв (для вторичных обмоток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кв). Из более высоких напряжений для первичных обмоток трансформаторов стандартными являются 35, ПО, 150, 220, 330, 500 и 750 кв и для вторичных обмо-

ток 38,5; 121, 165, 242, 347, 525 и 787 кв. Для трехфазных установок в паспортных табличках приводятся линейные значения напряжений.

В СССР, а также в большинстве других стран мира промышленная частота тока равна 50 гц, и большинство машин переменного тока поэтому также строится на 50 гц. В США и других странах Америки промышленная частота тока равна 60 гц. Для разных специальных назначений (электротермические установки, устройства автоматики и т. д.) применяются также электрические машины с другими значениями частоты тока.

По мощности электрические машины можно подразделять на следующие группы: до 0,5 кет — машины весьма малой мощности, или микромашины, 0,5—20 кет — машины малой мощности, 20— 250 кет — машины средней мощности и более 250 кет — машины большой мощности. Эти границы между группами в определенной степени условны.

В-3. Системы единиц

В СССР для электрических, магнитных, механических и других измерений, согласно ГОСТ 9867—61, применяется Международная система единиц (СИ), основными единицами которой являются метр, килограмм (масса), секунда, ампер. По этому ГОСТ допускается также использование абсолютной системы единиц СГС, основными единицами которой являются сантиметр, грамм (масса), секунда и в которой электрическая постоянная е₀ и магнитная постоянная f.i₀ при нерационализованной форме уравнений электромагнитного поля равны единице.

В табл. В-1 приводятся наименования и обозначения единиц систем СИ и СГС, а также численные соотношения между ними. Наименования отдельных единиц пока еще не установлены. Углы в системе СИ измеряются в радианах.

Единицы, содержащиеся в системе СИ, начинают широко применяться также для измерения тепловых и других величин.

В данной книге используется система единиц СИ и математические соотношения пишутся в рационализованной форме, при которой множитель 4я из наиболее общих закономерностей устраняется и переходит в соотношения, характеризуемые сферической симметрией. При этом электрическая постоянная

Единицы измерений систем СИ и СГС

Таблица В-1

Примечание: е_о = 2,998 • 1С» =а 3 • 1С¹⁰ — числовое значение скорости света в пустоте в см/сек.

В книге для удобства иногда применяются также единицы, которые представляют собой десятичные долевые или десятичные кратные значения единиц системы СИ, например киловатт (кет), киловольт (кв), миллиметр (мм) и т. д. Однако следует иметь в виду, что во все математические соотношения, если нет особых оговорок, необходимо подставлять значения всех величин в основных единицах системы СИ.

Скорость вращения п в формулах данной книги всюду выражается в оборотах в секунду (об/сек). При желании выразить п в оборотах в минуту (об/мин) надо, заменить в формулах п на я/60.

В табл. В-2 приводятся некоторые наиболее часто встречающиеся единицы, не принадлежащие к системе СИ.

Таблица В-2 Некоторые единицы, не принадлежащие к системе СИ

В-4. Материалы, применяемые в электрических машинах

Классификация материалов. Материалы, применяемые в электрических машинах, подразделяются на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.

Конструктивные материалы применяются для изготовления таких деталей и частей машины, главным назначением которых является восприятие и передача механических нагрузок (валы, станины, подшипниковые щиты и стояки, различные крепежные детали и т. д.). В качестве конструктивных материалов в электрических машинах используются сталь, чугун, цветные металлы и их сплавы, пластмассы. К этим материалам предъявляются требования, общие в машиностроении.

Активные материалы подразделяются на проводниковые и магнитные и предназначаются для изготовления активных частей машины (обмотки и сердечники магнитопроводов).

Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции обмоток и других токоведущих частей, а также для изоляции листов электротехнической стали друг от друга в расслоенных магнитных сердечниках. Отдельную группу составляют материалы, из которых изготовляются электрические щетки, применяемые для отвода тока с подвижных частей электрических машин.

Ниже дается краткая характеристика активных и изоляционных материалов, используемых в электрических машинах.

Проводниковые материалы. Благодаря хорошей электропроводности и относительной дешевизне в качестве проводниковых материалов в электрических машинах широко применяется электролитическая медь, а в последнее время также рафинированный алюминий. Сравнительные свойства этих материалов приведены в табл. В-З.В ряде случаев обмотки электрических машин изготовляются из медных и алюминиевых сплавов, свойства которых изменяются в широких пределах в зависимости от их состава. Медные сплавы используются также для изготовления вспомогательных токоведущих частей (контактные кольца, болты и т. д.). В целях экономии цветных металлов или увеличения механической прочности такие части нередко выполняются также из стали.

Таблица В-3

Физические свойства меди и алюминия

Соответственно этому, если сопротивление медной обмотки при температуре Ф_х равно г_х, то ее сопротивление при температуре ■О'_г

(В-2)

Зависимость сопротивления меди от температуры используется для определения превышения температуры обмотки электрической машины при ее работе в горячем состоянии Ф_г над температурой окружающей среды О,,. На основании соотношения (В-2) для вычисления превышения температуры

АО = #_г - % можно получить формулу

(В-3)

где г_г — сопротивление обмотки в горячем состоянии; г_х — сопротивление обмотки, измеренное в холодном состоянии, когда температуры обмотки и окружающей среды одинаковы; Ф_х — температура обмотки в холодном состоянии; Ф,, — температура окружающей среды при работе машины, когда измеряется сопротивление г_г.

Соотношения (В-1), (В-2) и (В-3) применимы также для алюминиевых обмоток, если в них заменить 235 на 245.

Магнитные материалы. Для изготовления отдельных частей магнитопроводов электрических машин применяется листовая электротехническая сталь, листовая конструкционная сталь, литая сталь и чугун. Чугун вследствие невысоких магнитных свойств используется относительно редко.

Наиболее важный класс магнитных материалов составляют различные сорта листовой электротехнической стали. Для уменьшения потерь на гистерезис и вихревые токи в ее состав вводят кремний. Наличие примесей углерода, кислорода и азота снижает качество электротехнической стали. Большое влияние на качество электротехнической стали оказывает технология ее изготовления. Обычную листовую электротехническую сталь получают путем горячей прокатки. В последние годы быстро растет применение холоднокатаной текстурованной стали, магнитные свойства которой при намагничивании вдоль направления прокатки значительно выше, чем у обычной стали.

Сортамент электротехнической стали и физические свойства отдельных марок этой стали определяются ГОСТ 802—58. В элек-

трических машинах применяются главным образом электротехнические стали марок Э11, Э12, Э13, Э21, Э22, Э31, Э32, Э41, Э42, Э310, Э320, ЭЗЗО. Обозначения марок начинаются с буквы Э, за которой ставится цифра 1, 2, 3 или 4, указывающая на степень легирования стали кремнием: 1 — слаболегированная, 2 — средне-легированная, 3 — повышеннолегированная и 4 — высоколегированная. Вторая цифра за буквой Э указывает на гарантированные свойства стали: 1, 2 и 3 —~ соответственно нормальные, пониженные и низкие удельные потери" при 50 гц, 4 — нормальные удельные потери при 400 гц, 5 и 6 — соответственно нормальная и повышенная магнитная проницаемость в полях с напряженностью менее 1 а/м, 7 и 8 — соответственно нормальная и повышенная магнитная проницаемость в полях с напряженностью от 10 до 100 а/м. Третья после Э цифра 0 означает, что сталь холоднокатаная текстурован-ная. Свойства электротехнической стали в зависимости от содержания кремния приведены в табл. В-4.

Таблица В-4

Зависимость физических свойств электротехнической стали от содержания кремния

С увеличением содержания кремния возрастает хрупкость стали. В связи с этим, чем меньше машина и, следовательно, чем меньше размеры зубцов и пазов, в которые укладываются обмотки, тем труднее использовать стали с повышенной и высокой степенью легирования. Поэтому, например, высоколегированная сталь применяется только для изготовления трансформаторов и очень мощных генераторов переменного тока.

В машинах с частотой тока до 100 гц обычно применяется листовая электротехническая сталь толщиной 0,5 мм, а иногда также, в особенности в трансформаторах, сталь толщиной 0,35 мм. При более высоких частотах используется более тонкая сталь, Размеры

листов электротехнической стали стандартизованы, причем ширина листов составляет 240—1000 мм, а длина 1500—2000 мм. В послед-

Рис. В-1. Кривые намагничивания ферромагнитных материалов

/ — электротехническая сталь Э11, Э21; 2 — электротехническая сталь Э31, Э41; 3 — малоуглеродистые литая сталь, стальной прокат и поковки для электрических машин 4 — листовая сталь толщиной I —2 мм для полюсов; 5 — сталь 10; 6 — сталь 30; 7 — холоднокатаная электротехническая сталь ЭЗЗО; 8 — серый чугун с содержанием: С — 3,2%, Si — 3,27%, Мп — 0,56%, Р — 1,05%; / X А — масштабы по осям / и А; II X Б — масштабы по осям II и Б

нее время расширяется выпуск электротехнической стали в виде ленты, наматываемой в рулоны.

На рис. В-1 представлены кривые намагничивания различных марок стали и чугуна, а в табл. В-5, согласно ГОСТ 802—58, —

величины удельных потерь р в наиболее распространенных марках электротехнической стали. Индекс у буквы р указывает на индукцию В в килогауссах (числитель) и на частоту / перемагничивания в герцах (знаменатель), при которых гарантируются приведенные в табл. В-5 значения потерь. Для марок Э310, Э320 и ЭЗЗО потери даны для случая намагничивания вдоль направления прокатки.

Таблица В-5

Потери на вихревые токи зависят от квадрата индукции, а потери на гистерезис — от индукции в степени, близкой к двум. Поэтому и общие потери в стали с достаточной для практических целей точностью можно считать зависящими от квадрата индукции. Потери на вихревые токи пропорциональны квадрату частоты, а на гистерезис — первой степени частоты. При частоте 50 гц и толщине листов 0,35—0,5 мм потери на гистерезис превышают потери на вихревые токи в несколько раз. Зависимость общих потерь в стали от частоты вследствие этого ближе к первой степени частоты. Поэтому удельные потери для значений В и /, отличных от указанных в табл. В-5, можно вычислять по формулам:

>.д-Р15/50^5У [_Wj ,

где значение В подставляется в теслах (тл).

Приведенные в табл. В-5 значения удельных потерь соответствуют случаю, когда листы стали изолированы друг от друга. Для изоляции применяется специальный лак или весьма редко тонкая бумага.

При штамповке возникает наклеп листов электротехнической стали. Кроме того, при сборке пакетов сердечников происходит частичное замыкание листов по их кромкам вследствие появления при штамповке грата или заусенцев. Это увеличивает потери в стали до 1,5—4,0 раз.

Из-за наличия между листами стали изоляции, их волнистости и неоднородности по толщине не весь объем спрессованного сердечника заполнен сталью. Коэффициент заполнения пакета сталью при изоляции лаком в среднем составляет k_c = 0,93 при толщине листов 0,5 мм и k_c = 0,90 при 0,35 мм.

Изоляционные материалы. К электроизоляционным материалам, применяемым в электрических машинах, предъявляются следующие требования: по возможности высокие электрическая прочность, механическая прочность, нагревостойкость и теплопроводность, а также малая гигроскопичность. Важно, чтобы изоляция была по возможности тонкой, так как увеличение толщины изоляции ухуд¹ шает теплоотдачу и приводит к уменьшению коэффициента заполнения паза проводниковым материалом, что в свою очередь вызывает уменьшение номинальной мощности машины. В ряде случаев возникают также и другие требования, например устойчивость против различных микроорганизмов в условиях влажного тропического климата и т. д. На практике все эти требования могут быть удовлетворены в разной степени.

Изоляционные материалы могут быть твердые, жидкие и газообразные. Газообразными обычно являются воздух и водород, которые представляют собой по отношению к машине окружающую или охлаждающую среду и одновременно в ряде случаев играют роль электрической изоляции. Жидкие диэлектрики находят применение главным образом в трансформаторостроении в виде специального сорта минерального масла, называемого трансформаторным.

Наибольшее значение в электромашиностроении имеют твердые изоляционные материалы. Их можно разбить на следующие группы: 1) естественные органические волокнистые материалы — хлопчатая бумага, материалы на основе древесной целлюлозы и шелк; 2) неорганические материалы — слюда, стекловолокно, асбест; 3) различные синтетические материалы в виде смол, пленок из листового материала и т. д.; 4) различные эмали, лаки и компаунды на основе природных и синтетических материалов.

В последние годы органические волокнистые изоляционные материалы все больше вытесняются синтетическими материалами.

Эмали применяются для изоляции проводов и в качестве покровной изоляции обмоток. Лаки используются для склейки слоистой изоляции и для пропитки обмоток, а также для нанесения покровного защитное© слоя на извдяадю. Дву- или трехкратной пропиткой

обмоток лаками, чередуемой с просушками, достигается заполнение пор в изоляции, что повышает теплопроводность и электрическую прочность изоляции, уменьшает ее гигроскопичность и скрепляет элементы изоляции в механическом отношении.

Пропитка компаундами служит такой же цели, как и пропитка лаками. Разница заключается только в том, что компаунды не имеют летучих растворителей, а представляют собой весьма консистентную массу, которая при нагревании размягчается, сжижается и способна под давлением проникать в поры изоляции. Ввиду отсутствия растворителей заполнение пор при компаундировании получается более плотным.

Важнейшей характеристикой изоляционных материалов является их нагревостойкость, которая решающим образом влияет на надежность работы и срок службы электрических машин. По нагрево-стойкости электроизоляционные материалы, применяемые в электрических машинах и аппаратах-, подразделяются, согласно ГОСТ 8865—70, на семь классов со следующими предельно допустимыми температурами ■0_макс:

В стандартах прежних лет содержатся старые обозначения некоторых классов изоляции: вместо Y, E, F, Н соответственно О, АВ, ВС, СВ.

К классу Y относятся не пропитанные жидкими диэлектриками и не погруженные в них волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, а также ряд синтетических полимеров (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид и др.). Этот класс изоляции в электрических машинах применяется редко.

Класс А включает в себя волокнистые материалы из хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка, пропитанные жидкими электроизоляционными материалами или погруженные в них, изоляцию эмаль-проводов на основе масляных и полиамиднорезольных лаков (капрон), полиамидные пленки, бутилкаучуковые и другие материалы, а также пропитанное дерево и древесные слоистые пластики. Пропитывающими веществами для данного -класса изоляции являются трансформаторное масло, масляные и асфальтовые лаки и другие вещества с соответствующей нагревостойкостью. К данному классу относятся различные лакоткани, ленты, электротехнический, картон, гетинакс, текстолит и другие изоляционные изделия. Изоляция класса А широко применяется для вращающихся электрических

машин мощностью до 100 кет и выше, а также в трансформаторо-строении.

К классу Е относится изоляция эмальпроводов и электрическая изоляция на основе поливинилацеталевых (винифлекс, металвин), полиуретановых, эпоксидных, полиэфирных (лавсан) смол и других синтетических материалов с аналогичной нагревостойкостью. Класс изоляции Е включает в себя новые синтетические материалы, применение которых быстро расширяется в машинах малой и средней мощности (до 100 кет и выше).

Класс В объединяет изоляционные материалы на основе неорганических диэлектриков (слюда, асбест, стекловолокно) и клеящих, пропиточных и покровных лаков и смол повышенной нагревостой-кости органического происхождения, причем содержание органических веществ по весу не должно превышать 50%. Сюда относятся прежде всего материалы на основе тонкой щипаной слюды (мика-лента, микафолий, миканит), широко применяемые в электромашиностроении.

В последнее время используются также слюдинитовые материалы, в основе которых лежит непрерывная слюдяная лента из пластинок слюды размерами до нескольких миллиметров и толщиной в несколько микрон.

К классу В принадлежат также различные синтетические материалы: полиэфирные смолы на основе фталевого ангидрида, поли-хло.ртрифторэтилен. (фторопласт-3), некоторые полиуретановые смолы, пластмассы с неорганическим заполнителем и др.

Изоляция класса В широко используется в электрических машинах средней и большой мощности.

Класс F включает в себя материалы на основе слюды, асбеста и стекловолокна, но с применением органических лаков и смол, модифицированных кремнийорганическими (полиорганосилоксано-выми) и другими смолами с высокой нагревостойкостью, или же с применением других синтетических смол соответствующей нагре-востойкости (полиэфирные смолы на основе изо- и терефталевой кислот и др.). Изоляция этого класса не должна содержать хлопчатой бумаги, целлюлозы и шелка.

К классу Н относится изоляция на основе слюды,, стекловолокна и асбеста в сочетании с кремнийорганическими (полиорганосилок-сановыми), полиорганометаллосилоксановыми и другими нагре-востойкими смолами. С применением таких смол изготовляются миканиты и слюдиниты, а также стекломиканиты, стекломикафолий, стекломикаленты, стеклослюдиниты, стеклолакоткани и стеклотек-столиты.

К классу Н относится и изоляция на основе политетрафторэтилена (фторопласт-4). Материалы класса Н применяются в электрических машинах, работающих в весьма- тяжелых условиях

(горная и металлургическая промышленность, транспортные установки и пр.).

К классу изоляции С принадлежат слюда, кварц, стекловолокно, стекло, фарфор и другие керамические материалы, применяемые без органических связующих или с неорганическими связующими.

Под воздействием тепла, вибраций и других физико-химических факторов происходит старение изоляции, т. е. постепенная потеря ею механической прочности и изолирующих свойств. Опытным путем установлено, что срок службы изоляции классов А и В снижается в два раза при повышении температуры на каждые 8—10° С сверх 100° С. Аналогичным образом снижается при повышении температуры также срок службы изоляции других классов.

Электрические щетки подразделяются на две группы: 1) угольно-графитные, графитные и электрографитированные; 2) металлогра-фитные. Для изготовления щеток первой группы используется сажа, измельченные природный графит и антрацит с каменноугольной смолой в качестве связующего. Заготовки щеток подвергаются обжигу, режим которого определяет структурную форму графита в изделии. При высоких температурах обжига достигается перевод углерода, находящегося в саже и антраците, в форму графита, вследствие чего такой процесс обжига называется графитирова-нием. Щетки второй группы содержат также металлы (медь, бронза, серебро). Наиболее распространены щетки первой группы.

В табл. В-6 приводятся характеристики ряда марок щеток. Влияние разных факторов на условия работы щеток выясняется в гл. 6.

Таблица В-6

В-5. Положительные направления электромагнитных величин, уравнения напряжения и векторные диаграммы источников и приемников электрической энергии

В электрических цепях различных электротехнических устройств, в том числе и в цепях электрических машин и трансформаторов, могут быть приняты различные положительные направления токов, э. д. с. и напряжений, причем в зависимости от принятых положительных направлений несколько изменяется вид уравнений напряжения для этих цепей и их векторные диаграммы. В различных странах и разными авторами из отдельных стран используются различные возможные сочетания положительных направлений этих величин. Такое положение нередко вызывает у читателя недоразумения и неясность. Остановимся на этом вопросе подробнее, притом применительно к цепям переменного тока, поскольку они сложнее цепей постоянного тока.

Рассмотрим изображенную на рис. В-2 цепь переменного тока, где слева от зажимов /, 2 представлены элементы, относящиеся к источнику электрической энергии (например, к генератору переменного тока), а справа — к приемнику (например, к двигателю переменного тока). Источник и приемник обладают активными сопротивлениями г„, г_п и собственными индуктивными сопротивлениями х_п, х_п, учитывающими э. д. с. самоиндукции —jxj и —jxj. Кроме того, в цепях_ источника и приемника в общем случае действуют э. д. с. Ё_и и Ё_п иного происхождения, например э. д. с. взаимной индукции от других, не изображенных на рис. В-2 электрических цепей.

На рис. В-2 положительные направления тока / и действующих в цепи э. д. с. £_н и Ё_п приняты одинаковыми. Такой выбор положительных направлений / и Ё в цепях переменного тока является общепринятым. Положительное направление напряжения О на зажимах 1, 2 принято от зажима / к зажиму 2, что указывается стрелкой у буквы О. Важно сочетание положительных направлений / и £, с одной стороны, и положительного направления О, с другой. Представленное на рис. В-2 сочетание этих величин истолковывается следующим образом.

Предположим для простоты, что О и / совпадают по фазе, т. е. одновременно проходят через нули и максимумы. Предположим, далее, для определенности, что в рассматриваемый момент времени и и i положительны, т. е. ток течет в направлении стрелок у буквы /,

Рис. В-2. Цепь переменного тока, состоящая из источника и приемника электрической энергии

а напряжение действует от зажима / к зажиму 2. При этом зажим / положителен, а зажим 2 отрицателен. При этих условиях ток из левой части схемы рис. В-2 вытекает через положительный зажим 1, что и характерно для источника (генератора), а в правую часть схемы рис. В-2 ток втекает через положительный зажим 1, что характерно для приемника (двигателя.) Таким образом, изображенное на рис. В-2 сочетание положительных направлений (стрелок) О и / вполне соответствует особенностям режима работы источника и приемника.

На рис. В-2 показаны также положительные направления мощности электрической энергии Р в источнике и приемнике. Источник отдает мощность от своих зажимов 1,2, а приемник потребляет мощность со своих зажимов /, 2. На практике принято также говорить

о потреблении тока каким-5)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   либо устройством, например, из сети и об отдаче тока из данного устройства, например, в сеть. В действительности ток замкнут, и если от одного зажима устройства ток отдается в сеть, то на другой зажим он поступает из сети. Поэтому, например, о потреблении или отдаче тока можно говорить только в смысле потребления или о,тдачи электрической энергии. На основании изложенного выше можно также говорить, что устройство потребляет ток, если он втекает в данное устройство через его положительный зажим и вытекает через отрицательный. Наоборот, данное устройство отдает ток, если он вытекает через положительный зажим и втекает через отрицательный.

Напишем теперь для цепи рис. В-2 второе уравнение Кирхгофа:

Ё_а + Ё_п- jxj - jxj = rj + rj.

Сосредоточим в левой части этого уравнения члены, соответствующие элементам источника, а в правой части — члены, соответствующие элементам приемника:

Ё_в - rj - jxj = rj + jxj -Ё_а = 0.                                                                                                                                                                                                                     (В-4)

Левая часть этого уравнения определяет напряжение О на зажимах источника /, 2, равное э. д. с. Ё_И минус падения напряжения в сопротивлениях г_и и х_И. Одновременно О является также напряжением на зажимах приемника, которое определяется средней частью уравнения (В-4),

Рис. В-3. Схемы цепей источника (а) и приемника (б) электрической энергии и положительные направления электромагнитных величин

Разделим теперь схему рис. В-2 на зажимах 1, 2 на две части и изобразим их отдельно, как показано на рис. В-3, где схема источника повернута по сравнению со схемой рис. В-2 относительно зажимов 1, 2 на 180°, а индексы «и» и «п» у буквенных величин опущены. Как видно из рис. В-3, схемы источника и приемника отличаются друг от друга тем, что в них при одинаковом направлении О направления Ё, I и Р являются противоположными. Очевидно, что на рис. В-3, а или б можно одновременно изменить направления О, Ё и / и при этом уравнения напряжения, векторные диаграммы и энергетические соотношения не изменятся. Поэтому можно также сказать, что схемы источника и приемника отличаются друг от друга тем, что положительные направления О на зажимах у них противоположные.

На основании соотношений (В-4) можно написать также следующие уравнения напряжения: для источника

Эти уравнения истолковываются следующим образом. Напряжение на зажимах источника, согласно (В-5), равно его э. д. с. Ё за вычетом внутренних падений напряжения rl и jxf, а напряжение на зажимах приемника, согласно (В-6), расходуется на падения напряжения г/, jxl и на компенсацию (уравновешивание) внутренней э. д. с. Ё. Можно также сказать, что напряжение приемника состоит из указанных трех составляющих, фигурирующих в правой части уравнения (В-6).

По уравнениям источника и приемника в соответствии с равенствами 0-5) и (В-6) построены векторные диаграммы на рис. В-4, а и б.

Таким образом, в принципе возможны два сочетания положительных направлений О, Ё и /, чему соответствуют два различных вида уравнений напряжений векторных диаграмм. В то же время многие электротехнические устройства способны работать, хотя бы кратковременно, как в режиме источника, так и в режиме приемника. Например, каждый электрический генератор может работать двигателем и наоборот. Поэтому, выбрав, например, для какого-либо устройства сочетание положительных направлений О, Ё и / на рис. В-3, с как для источника, мы должны считаться с тем, что это устройство в определенных условиях в действительности может работать в режиме приемника электрической энергии. При этом мы

можем по-прежнему рассматривать это устройство как источник и сохранить схему рис. В-3, а с указанными там положительными направлениями О, Ё, I и уравнение (В-5), но при этом угол сдвига фаз между О и / будет уже находиться не в пределах —90° < ср < < 90°, как на рис. В-4, а, а в пределах 90° < <р < 270°, как на диаграмме рис. В-4, в. Если по рис. В-4, а

Рис. В-4. Векторные диаграммы устройств, работающих в режимах источника (а, г) и приемника (б, в) электрической энергии

то, согласно рис. В-4, в,

P = UI cos ф<0,

что указывает на то, что теперь в действительности направление мощности противоположно положительному направлению, обозначенному стрелкой на рис. В-3, а, т. е. в действительности мощность потребляется из сети. На это же указывает то, что на рис. В-4, в активная относительно О составляющая / отрицательна, в то время как на рис. В-4, а она положительна.

На рис. В-4, в верхняя часть диаграммы топологически повторяет верхнюю часть диаграммы рис. В-4, б, а векторы тока равны по величине и противоположны по направлению. Это означает, что диаграммы рис. В-4, б и в изображают один и тот же режим работы определенного устройства, потребляющего энергию из сети, но на диаграмме рис. В-4, б это устройство рассматривается в качестве приемника, а на диаграмме рис. В-4, в — в качестве источника,

Аналогичным образом, если какое-либо устройство, рассматриваемое по схеме рис. В-3, б как приемник, в действительности работает в режиме источника энергии, то вместо диаграммы вида рис. В-4, б будем иметь диаграмму вида рис. В-4, г, где также 90° < ф < 270°, и поэтому направление передачи мощности в действительности противоположно указанному на рис. В-3, б. Отметим здесь также, что верхние части диаграмм рис. В-4, а я г топологически одинаковы, а токи равны по величине и противоположны по направлению. Это означает, что обе эти диаграммы изображают один и тот же режим работы определенного устройства, работающего в качестве источника, но один раз это устройство рассматривается в качестве источника по схеме рис. В-3, а, а другой раз — в качестве приемника по схеме рис. В-3, б. Как видно из указанных рисунков, соответствующие диаграммы отличаются друг от друга поворотом вектора / на 180°, изменением знака Ё и изменением направлений падений напряжения на обратные.

Рассмотрим еще вопрос о направлениях реактивных составляющих токов и о потреблении из сети или отдаче в сеть реактивных мощностей и реактивных составляющих тока.

На рис. В-5, а изображены приключенные параллельно к сети переменного тока индуктивность L и емкость С, причем на этом рисунке они рассматриваются как приемники. Если

Рис. В-5. Векторные диаграммы {б, г)

параллельно включенных индуктивности

и емкости (а, в) при резонансе токов

то /i = /с и / = 0, т. е. из сети ток не потребляется. Соответствующая векторная диаграмма изображена на рис. В-5, б. Согласно последней, L и С потребляют из сети противоположные по направлению токи, которые в сумме дают нуль. Однако можно трактовать этот вопрос также иначе и рассматривать, например, L как приемник, а С как источник, изменив в С направление тока на противоположное (рис. В-5, в), чему соответствует диаграмма на рис. В-5, г, и тогда можно сказать, что L потребляет из сети отстающий ток /х, а С отдает в сеть отстающий ток 1'с — II и поэтому L и С вместе

не потребляют из сети и не отдают в нее никакого тока. Можно также сказать, что емкость С питает индуктивность L отстающим током.

В энергетических системах потребление и отдачу реактивной мощности принято связывать с отстающими (индуктивными) реактивными токами. При этом говорят, что индуктивность L потребляет из сети реактивную мощность и отстающий (индуктивный) реактивный ток, а емкость С отдает в сеть реактивную мощность и отстающий реактивный ток. Можно было бы также говорить, что емкость С потребляет из сети опережающий (емкостный) ток, а индуктивность L отдает в сеть такой ток. Из сравнения рис. В-4, а и б, в и г видно, что при изменении положительных направлений токов изменяются также направления реактивных составляющих токов /_г: на рис. В-4, а и б они являются отстающими, а на рис. В-4, в и г — опережающими.

В советской литературе и в данной книге приняты следующие правила выбора положительных направлений О, Ё и /, написания уравнений напряжения и изображения векторных диаграмм электрических машин переменного тока: 1) первичная обмотка трансформатора (раздел второй) рассматривается как приемник, а вторичная — как источник электрической энергии, 2) асинхронные машины (раздел четвертый) рассматриваются как приемники, поскольку они работают главным образом как двигатели, 3) синхронные машины (раздел пятый) рассматриваются как источники, так как практически все генераторы переменного тока являются синхронными машинами. Отклонения от этих правил оговариваются особо. В то же время иногда руководствуются и другими правилами. Например, Р. Рихтер [3] и В., П. Шуйский [231 рассматривают обе обмотки трансформатора и все машины переменного тока в качестве источников.

Содержание
Предыдущий § Следующий