Предисловие. 
Электрические машины: электромеханическое преобразование энергии

Цель, которую поставил автор настоящего учебника, — ознакомить с анализом процессов электромеханического преобразования энергии: без излишнего усложнения, не впадая при этом в упрощение курса. Из существующих подходов к достижению поставленной цели предпочтение было отдано методам анализа, в основе которых лежит понятие энергии. В отличие от сил, создающих ее, энергия, запасенная в магнитных и электрических полях, и энергия, созданная движущимися телами и запасенная в упругих элементах, имеют идентичный вид от обобщенных координат и скоростей, характеризующих положение системы.

Энергетические функции, записанные в форме функций Лагранжа или функции Гамильтона, дают возможность составить дифференциальные уравнения. движения системы и найти все силы, определяемые внутренними связями. При этом обращает на себя внимание то, что хотя и уравнения Лагранжа и канонические уравнения Гамильтона представляют другую форму закона Ньютона, где все силы выражены через энергетические функции, они полностью применимы и для анашза электрических систем, поведение которых описывается другими законами — законами Кирхгофа, а электрические и механические силы — законами электромагнитной индукции и силой Лоренца.

Такое положение говорит о внутреннем единстве законов. движения механических и электрических систем. И его можно наблюдать более четко, если сопоставить с законом. динамики обобщенный закон Ома, записанный для случая, когда наряду с приложенным напряжением в контуре действует индуцированная электродвижущая сила (ЭДС). Создаваемый ток ограничивается сопротивлением контура. Второй закон Ньютона записывается аналогичным образом, если из всех сил, действующих на материальEl ную точку, выделить силу трения, всегда сопровождающую движение.

В такой форме записи два закона, сопровождаемые в первом случае законом Ленца, а во втором — принципом Даламбсра, являются аналогами и по форме, и по физическому проявлению ЭДС и сил инерции. На этом основании в работе рассмотрена возможность составления уравнений движения для механических систем, используя независимость силовой функции от траектории перехода из начального в конечное положение. В результате устраняются затруднения, связанные с определением сил между материальными точками (и прежде всего их направления), составление уравнений движения становится аналогичным составлению уравнений для контурных токов или узловых напряжений. На аналогии законов Ньютона и Фарадея показано, что реактивную силу, обусловленную изменением массы, можно рассматривать как результат преобразования ОДНОГО вида энергии В другой.

Таким образом, можно ожидать применимости для исследования электрических систем нс только уравнений Лагранжа и Гамильтона, но и других методов, связанных с вариационными принципами механики.

В работе показано, что уравнения Лагранжа допускают непосредственное применение при введении квазикоординат, возникающих при анализе вращающихся электромеханических преобразователей энергии — электрических машин, что делает применение указанных уравнений более доступным, избегая громоздких преобразований, связанных с переходом к другой форме.

Основополагающая роль, отводимая функции энергии, обусловила и широкое внимание к ее выводу, демонстрации потенциальной природы энергии, запасенной в магнитном поле в условном пространстве, координатами которого являются токи ши потокосцепления. Это обстоятельство даст возможность найти значение энергии, создаваемой несколькими контурами токов, электромагнитная связь которых происходит в электрически нелинейной среде.

Анализ вращающихся электромеханических преобразователей энергии проведен на основе результируюнщх пространственных векторов токов, потокосцеплений и напряжений. Эти обобщенные переменные отражают совместное действие фазных токов, образующих бегущее магнитное поле машины. Их введение уменьшает число переменных, представляет процессы энергопреобразования более наглядно, позволяет провести координатные преобразования в компактной форме. Они играют роль, подобную обобщенным (независимым), которые были введены Лагранжсм для анализа механических систем.

Особое внимание было уделено получению выражения электромагнитного момента. Оно было сделано различными способамина основе энергетических функций, непосредственно через взаимодействие тока с магнитным полем на основе закона Ампера; дано его выражение через мгновенные скалярные величины и результирующие вектора. Показано, что при анализе установившеюся режима работы его выражение найдется из баланса энергии, получаемого на основе уравнений напряжения. Такое внимание к электромагнитному моменту связано нс только с тем, что эта величина определяет электромеханическое преобразование энергии, но, как показывает опыт, поиск выражения момента вызывает гораздо большие трудности, чем определение электродвижущей силы. Хотя, заметим, и ЭДС, и электромагнитный момент находятся из одной энергетической функции — функции Лагранжа или Гамильтона.

Для анализа работы асинхронных двигателей, имеющих несимметричные параметры обмоток, предложен подход, сущность которого связана с заменой действительных параметров на их составляющие. Такая процедура позволяет провести анашз работы с использованием результирующих векторов. Этот раздел работы будет полезен при изучении нс только асинхронных двигателей, работающих от однофазной сети, когда для сознания бегущего поля в цепь одной из фаз включаются фазосмещающие элементы, но и многофазных машин при несимметрии приложенного напряжения и электрических параметров.

В разделе синхронных машин для анализа их работы введено понятие электродвижущей силы, созданной результирующим магнитным потоком по продольной оси, который создастся током возбуждения и гармоникой потока вызванным явнополюсностыо ротора. Такой подход позволяет представить синхронную машину как неявнополюсную машину, что значительно упрощает анализ, например, даст возможность аналитического поиска ЭДС возбуждения, обеспечивающей заданный режим работы вместо графического, который приводится во всех учебниках по электрическим машинам.

В последние годы синхронные двигатели все шире используются в приводах с частотно-токовым (трансвекторным) управлением, где с помощью аппаратных средств обеспечивается угол 90° между результирующими векторами токов статора и возбуждения, как это имеет место в двигателях постоянного тока. Показано, что достигаемые в этом случае хорошие регулировочные зависимости получаются за счет значительного ухудшения коэффициента мощности, так как двигатель работает в режиме недовозбуждения.

В заключение автор счел необходимым показать, что природа энергопреобразования в синхронных машинах, работающих на изменении проводимости воздушного зазора, основана на появлении гармоник магнитного поля, возникающих в результате амплитудно-пространственной модуляции магнитного поля. Они имеют полюсносгь обмоток, не равную числу зубцов ротора (!), и обеспечивают связь между неподвижными обмотками, зависящую от положения ротора. На этом принципе могут быть созданы все известные виды электрических машин — синхронные, асинхронные, двойного питания. Их отличительной чертой является то, что со скоростями МДС обмоток, определяемыми частотой протекающих в них токов, вращаются рабочие гармоники магнитного поля, тогда как скорость ротора будет другой, она определяется числом зубцов ротора.

Автор надеется, что настоящее пособие поможет раскрыть внутреннюю сущность подходов к анализу электромеханического преобразования энергии и будет полезным студентам ссузов и вузов, магистрантам, изучающим электромеханику, а также аспирантам и специалистам, работающим в этой области.

В результате изучения дисциплины студент должен освоить:

трудовые действия

• владеть методами расчета электрических машин, их рабочих и пусковых характеристик;

необходимые умения

• • выбирать электрические машины для конкретных условий их применения;
• • проводить испытания электрических машин;
• • применять полученные теоретические знания для решения прикладных вопросов, связанных с работой по специальности;

необходимые знания

• • принцип действия современных типов электрических машин; особенности их конструкции;
• • уравнения, схемы замещения и характеристики.

Замечания и предложения по содержанию настоящего учебника, которые автор примет с благодарностью, направлять по адресу: 630 092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, издательство НГТУ.