I

А. И. Вольдек

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

МАШИНЫ

Допущено Министерст­

А. И. Вольдек вом высшего и среднего

специального образова­

ния С С С Р в качестве

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ учебники для студентов

электротехнических спе­

циальностей высших тех­ МАШИНЫ нических учебных заве­ дений

ИЗДАНИЕ ТРЕТЬЕ,

переработанное

ЛЕНИНГРАД «ЭНЕРГИЯ* ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

scan: The Stainless Steel Cat ББК 31. В УД К 621.313(075.8) Рецензент— зав. кафедрой электрических машин М ЭИ д. т. п., проф. И. П. Копылов Вольдек А. И.

В 71 Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. — 3-е изд., перераб,— Л.: Энергия, 1978. — 832 с., ил.

В книге рассм атриваю тся принципы устройства электрических машин, излагаются основные вопросы их теории, производятся анализ режим ов их работы и освещ аю тся их эксплуатационные свойства. Второе издание книги вышло в 1974 г. В настоящем издании приведены новые фактические д ан ­ ные, соответствующие современному уровню электромашиностроения; тер­ минология н обозначения даны по действующим стандартам.

Книга написана в соответствии с программой курса «Электрические машины», утвержденной Министерством высшего и среднего специального образован ия С С С Р, и предназначается в качестве учебника для студентов электромеханических и электроэнергетических специальностей электротех­ нических и энергетических вузов и факультетов.

ББК 31. В 6П2.1. Александр Иванович Вольдек

ЭЛ Е К Т Р И Ч Е С К И Е М А Ш И Н Ы

фактор В. В, Толвинская М. П архом енко ный редактор /О. Г. Смирнов редактор А. Г. Рябкина В. Румянцев д ож кнка Г. А. Гудкова 07 06 П одписано в печать 19.09-78. М-14940.

• " ’, типографская № 3. Гарнитура литерат ь 'высокая. Уел. печ. л. 52. Уч.-изд. л. 53,9. Т и раж р. 20 к.

мьства «Э нергяя», 192041, Легна Трудового К расного -техническое объединезрького Союзполиграфзвета Министров С С С Р нжиой торговли. 197136, {§} Издательство «Энергия»,

ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА К ТРЕТЬЕМУ ИЗДАНИЮ

Настоящее, третье, издание книги академика АН Эстонской ССР, доктора технических наук, профессора Александра Ивано­ вича Вольдека является посмертным. А. И. Вольдек скоропостижно скончался 27 января 1977 г. К сожалению, в его архиве не удалось обнаружить каких-либо материалов, заметок и.планов по подго­ товке книги к переизданию. В связи с этим редактор не мог внести значительных изменений в структуру, содержание, объем и изло­ жение этой, во многом оригинальной книги без недопустимого вторжения в авторское право. Редакционная подготовка настоя­ щего издания поэтому заключалась главным образом в приведении более современных фактических данных, характеризующих уровень электромашиностроения, замене устаревших ГОСТ, терминологии и обозначений, устранении обнаруженных опечаток, неточностей и неясностей в изложении. В связи с признанными достоинствами книги и ее соответствием действующим программам курса «Элек­ трические машины» для студентов электротехнических специальное»

тей высших технических учебных заведений объем и содержание кни­ ги практически не претерпели изменений по сравнению с ее вто­ рым изданием (1974 г.).

При приведении терминологии в соответствие с новыми стандартами, однако, выявились большие затруднения в исполь­ зовании термина «частота вращения» взамен «скорость вращения».

При этом не только возникло бы несоответствие с определением «скоростная характеристика», но и во всех случаях пришлось бы пользоваться термином «частота вращения в пространстве» в от­ личие от «частоты вращения в магнитном поле» — широко приме­ няемого понятия в теории электрических машин. В связи с этим представлялось целесообразным сохранить в книге термин «ско­ рость вращения», оговорив это во введении.

Большую работу по подготовке рукописи книги к изданию выполнили Г. А. Вольдек, С. В. Вольдек и В. А. Кочетков.

Все замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 192041, Ленинград, Д-41, Марсово поле, д. 1, Ленинград­ ское отделение издательства «Энергия».

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЙ АВТОРА

К ПЕРВОМУ И ВТОРОМУ ИЗДАНИЯМ

Данная книга предназначается в качестве учебника для студен­ тов втузов и может быть полезна также инженерам-электрикам, работающим в области производства и эксплуатации электрических машин. Содержание курса электрических машин в книге излага­ ется в такой последовательности: машины постоянного тока, транс­ форматоры, асинхронные машины, синхронные машины и коллек­ торные машины переменного тока. В первом разделе книги, посвященном машинам постоянного тока, освещаются также во­ просы, которые являются в значительной степени общими для всех видов электрических машин: расчет магнитной цепи, зави­ симость технико-экономических показателей машин от их мощности, электромагнитных нагрузок и скорости вращения, нагревание и охлаждение электрических машин и др.

В каждом разделе курса наиболее подробно рассматриваются устройство и основные вопросы теории так называемых нормальных типов электрических машин, применяемых повсеместно в народном хозяйстве в качестве источников электрической энергии и приводов для различных машин и механизмов. Кроме того, в конце каждого раздела излагаются также принципы действия и устройство наи­ более распространенных и перспективных специальных типов электрических машин, в том числе электрических микромашин, используемых в системах автоматического регулирования и управ­ ления. Коллекторные машины переменного тока в связи с малым их распространением в СССР рассматриваются кратко.

Больше внимания по сравнению с некоторыми другими кни­ гами уделяется расчету параметров электрических машин, теории схем замещения и т. д. Элементы методической новизны внесены в изложение таких вопросов, как обмотки электрических машин, их намагничивающие силы, внезапное короткое замыкание син­ хронных машин и др.

Параграфы, которые не обязательны для студентов некоторых специальностей, набраны мелким шрифтом.

Опыт учебной работы во втузах показывает, что наиболее труд­ ными для понимания и усвоения являются многообразные взаимо­ связанные физические явления и процессы, происходящие в элек­ трических машинах. Поэтому автор стремился отвести им в книге больше места и изложить их в простой и ясной форме. Это, по мнению автора, должно облегчить пользование учебником, в осо­ бенности студентам вечерних и заочных втузов и факультетов.

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 коммунистиче­ ского общества принадлежит электрификации, что выражено в ге­ ниальной формулировке В. И. Ленина: «Коммунизм — это есть советская власть плюс электрификация всей страны».

Электрификация промышленности, транспорта, сельского хо­ зяйства и бьпа населения обусловливает необходимость применения разнообразного электрического оборудования. Одним из основных видов этого оборудования являются электрические машины, ко­ торые служат для преобразования механической энергии в элек­ трическую и обратно — электрической энергии в механическую, а также для преобразования одного рода электрической энергии в другой.

Преобразование механической энергии в электрическую осуще­ ствляется с помощью электрических машин, называемых э л е к ­ 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 э л е к ­ трическими двигателями.

Н а современных электростанциях обычно вырабатывается пере­ менный ток, и для передачи его к потребителям через линии элек­ тропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация,, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются т р а н с ф о р м а т о р а м и. Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющие вращаю­ щихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и по­ этому их также относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова. Существуют также другие разновидности элек­ трических машин.

В зависимости от рода тока электрические машины подразде­ ляются 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 за девятую пятилетку возросла с 740 млрд. кВт-ч в 1970 г. до 1038 млрд.

кВт-ч в 1975 г., т. е. в 1,4 раза, а к 1980 г. должна составить 1380 млрд. кВт-ч в год. Соответственно этому увеличилось про­ изводство электрических машин. В 1975 г. в СССР было изготовлено электрических генераторов на суммарную мощность около 11 млн. кВт, трансформаторов — более чем на 100 млн. кВ-А, элек­ тродвигателей переменного тока с единичной мощностью более 0,25 кВт — на суммарную мощность почти 35 млн. кВт.

Кроме того, выпущено весьма большое количество электродви­ гателей меньшей мощности, машин постоянного тока и разнообраз­ ных специальных видов маломощных электрических машин для применения в автоматизированных поомышленных, транспортных, оборонных и других установках.

В-2. Общие сведения об электрических машинах Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины назы­ ваются и н д у к т и в н ы м и. Возможно также создание электри­ ческих машин, в которых энергия преобразуется посредством электрического поля ( е м к о с т н ы е м а ш и н ы), однако такие машины существенного практического распространения пока 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- яв­ ляется воздух или другое вещество с заданными магнитными и электрическими свойствами (|х, в). При практически достижимых сейчас интенсивностях магнитного и электрического полей коли­ чество энергии в единице объема такой среды, пропорциональное (х или в, при магнитном поле в тысячи раз больше, чем при электри­ ческом. Мощности емкостных машин могут стать соизмеримыми с мощностями индуктивных машин при разработке материалов с большим е и высокой электрической прочностью, допуска­ ющей работу в сильных электрических полях.

Для получения по возможности более сильных магнитных полей применяются ферромагнитные сердечники, которые являются не­ отъемлемыми частями каждой электрической машины. При пере­ менных магнитных полях сердечники с целью ослабления вихревых токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии изготов­ ляются из листовой электротехнической стали. Другими неотъемле­ мыми частями электрической машины являются обмотки из провод­ никовых материалов, по которым протекают электрические токи.

Для электротехнической изоляции обмоток применяются раз­ личные электроизоляционные материалы.

Введение Как будет установлено в последующих разделах книги, электри­ ческие 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 электро­ машиностроительным заводом вращающаяся машина обычно пред­ назначается для одного определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансформа­ торах 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 задан­ ных условий работы и добиться наилучшего использования мате­ риалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу массы машииы.

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 по­ всеместное их широкое распространение.

Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванными перемагиичиванием ферромаг­ нитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и т. д. Поэтому потребляемая электриче­ ской 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 совершен­ ными преобразователями энергии с относительно высокими коэф­ фициентами полезного действия. Так, в самых мощных электри­ ческих машинах к. п. д. достигает 98— 99,5%, а в машинах мощ­ ностью 10 Вт к. п. д. составляет 20—40%. Такие к. п. д. при столь малых мощностях во многих других типах машин недостижимы.

Теряемая в электрических машинах энергия превращается в тепло и вызывает нагревание отдельных их частей. Для надеж­ ности работы и достижения приемлемого срока службы нагревание частей машины должно быть ограничено. Наиболее чувствитель­ ными 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 или охлаждения электрических машин.

Потери энергии в электрической машине увеличиваются с повы­ шением ее нагрузки, а вместе с этим увеличивается и нагревание машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допускаемая для данной машины, определяется главным образом допусти­ мым уровнем ее нагревания, а также механической прочностью отдельных частей машины, условиями токосъема н а.скользящих контактах и т. д. Напряженность режима работы электрических машин переменного тока в отношении электромагнитных нагрузок (значения магнитной индукции, плотности тока и т. д.), потерь энергии и нагревания определяется не активной, а полной мощ­ ностью, так как значение магнитного потока в машине определя­ ется полным напряжением, а не его активной составляющей. Полез­ ная мощность, на которую рассчитана электрическая машина, назы­ вается н о м и н а л ь н о й. Все другие величины, которые харак­ теризуют 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 пере­ менного тока также номинальная частота и номинальный коэффи­ циент мощности (cos ф). В дальнейшем обозначениям номинальных величин присваивается индекс «н», например: Р н, UK / н, пв и т. п.

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, отда­ ваемой с его выходных зажимов. При этом для генераторов пере­ менного 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 ма­ шин, а также другие их технико-экономические данные и требо­ вания регламентируются в СССР государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины.

Номинальные напряжения электрических машин согласованы в ГОСТ со стандартными номинальными напряжениями электри­ ческих сетей. Номинальные напряжения для электрических двига­ телей и первичных обмоток трансформаторов при этом берутся равными стандартным напряжениям электрических сетей, а для гене­ раторов и вторичных обмоток трансформаторов — на 5— 10% больше с целью компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее упо­ требительные номинальные напряжения электрических машин сле­ дующие: для двигателей постоянного тока 110, 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 вто­ ричных обмоток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кВ).

Введение Из более высоких напряжений для первичных обмоток трансформа­ торов стандартными являются 35, 110, 150, 220, 330, 500 и 750 кВ и для вторичных обмоток 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 промышлен­ ная 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, устрой­ ства автоматики и т. д.) применяются также электрические ма­ шины с другими значениями частоты тока.

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

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. Поэтому ГОСТ допуска­ ется также использование абсолютной системы единиц СГС, основ­ ными единицами которой являются сантиметр, грамм (масса), секунда и в которой электрическая постоянная е0 и магнитная постоянная [ 0 при нерационализованной форме уравнений электро­ магнитного поля равны единице.

В табл. В-1 приводятся наименования и обозначения единиц систем СИ и СГС, а также численные соотношения между ними.

Наименования некоторых 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 ве­ личин.

В данной книге используется система единиц СИ и матема­ тические соотношения пишутся в рационализованной форме, при которой множитель 4л из наиболее общих закономерностей устраняется и переходит в соотношения, характеризуемые сфери­ ческой симметрией. При этом электрическая постоянная