Электромеханика

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Комплексная наука •
Электромеханика

Предмет
изучения
Преобразование электрической энергии в механическую и наоборот, электрические машины, электромеханические комплексы и системы.
Период
зарождения
конец XIX века
Основные
направления
Общая теория электромеханического преобразования энергии;
Проектирование электрических машин;
Анализ переходных процессов в электрических машинах.
Вспомогат.
дисциплины
Механика, электродинамика, ТОЭ,
электрические аппараты.
Центры
исследований

Значительные
учёные
Э. Арнольд, Р. Рихтер, Р. Парк, Р. А. Лютер, А. И. Важнов, А. В. Иванов-Смоленский, Л. М. Пиотровский, Д. А. Завалишин, А. И. Вольдек, И. П. Копылов

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][править | править вики-текст]

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. Р. Парк[en], 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[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

Основные понятия[править | править вики-текст]

Основные законы электромеханики[править | править вики-текст]

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

1. Закон электромагнитной индукции Фарадея:

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

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

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

\oint\vec{H}\cdot \vec{dl}= \sum i,

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

3. Закон электромагнитных сил (закон Ампера).

 F = B \cdot I \cdot \ell   .

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-ой закон: Все электрические машины обратимы, одна и та же машина может работать как в режиме двигателя так и в режиме генератора.
3-ий 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[править | править вики-текст]

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

 \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} ,

где  D  — диаметр ротора,  l  — длина ротора,  n_1  — синхронная скорость вращения ротора в об/мин (равная скорости вращения первой гармоники МДС обмотки статора),  P  — мощность электрической машины в кВт,  \cos \varphi  — коэффициент мощности,  k_1  — обмоточный коэффициент, учитывающий влияние распределения обмотки в пазах и влияние укорочения шага обмотки, B_m  — амплитуда нормальной составляющей магнитной индукции в зазоре машины,  A  — «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

 C_A = \frac{D^2 \cdot l \cdot n_1}{P} .

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]:
  \dot U_s = R_s  \cdot \dot I_s + j \cdot x_{\sigma s} \cdot \dot I_s - \dot E_s
 0 = R_r \cdot \dot I_r + j \cdot s \cdot x_{\sigma r} \cdot \dot I_r - s \cdot \dot E_r ,
где  \dot U_s — фазное напряжение статора,  \dot I_s и  \dot I_r  — фазные токи статора и ротора,  R_s и  R_r  — активные сопротивления обмоток статора и ротора, x_{\sigma s} и  x_{\sigma r}  — индуктивные сопротивления рассеяния статора и ротора, \dot E_s и \dot E_r — 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]:
 \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},

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

Уравнение электромагнитного момента синхронной машины[15] :
 \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) ,

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

Вопросы, рассматриваемые в электромеханике[править | править вики-текст]

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[править | править вики-текст]

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

См. также[править | править вики-текст]

Примечания[править | править вики-текст]

  1. Уайт Д.С., Вудсон Г.Х. Электромеханическое преобразование энергии. — М.-Л.: "Энергия", 1964. — С. 7. — 528 с.
  2. 1 2 Глава 6. Электромеханика // История электротехники / под. ред И. А. Глебова. — М.: Изд-во МЭИ, 1999. — 524 с. — ISBN 5-7046-0421-8.
  3. В. В. Виноградов, Г. О. Винокур, Б. А. Ларин, С. И. Ожегов, Б. В. Томашевский, Д. Н. Ушаков Толковый словарь русского языка: В 4 т. / Под ред. Д. Н. Ушакова. — М.: Гос. изд-во иностр. и нац. слов., 1940. — Т. 4. — 1502 с.
  4. 1 2 В.В. Галактионов, Ю.Г. Татур, Н.С. Гудилин, Е.П. Попова Государственный образовательный стандарт высшего профессионального образования. Государственные требования к минимуму содержания и уровню подготовки выпускника по специальности 180100 - Электромеханика. — Государственный комитет Российской федерации по высшему образованию. — М., 1995. — 26 с.
  5. Высшая Аттестационная Комиссия Министерства образования и науки Российской Федерации. Справочные материалы. (pdf). Паспорта специальностей научных работников. Паспорт специальности 05.09.01 Электромеханика и электрические аппараты.. Проверено 17 июня 2013. Архивировано из первоисточника 18 июня 2013.
  6. ОКСО 140600 — Электротехника, электромеханика и электротехнологии
  7. Направления подготовки и специальности высшего профессионального образования. Электромеханика. Российское образование. Федеральный портал
  8. History of the Institute of Electrical Engineering. The Institute of Electrical Engineering (ETI) of the Grand Ducal Technical University of Karlsuhe.. Проверено 26 мая 2013. Архивировано из первоисточника 10 июня 2013.
  9. Иосифьян А. Г. Электромеханика в космосе. — «Знание», 1977. — 64 с. — («Космонавтика, астрономия»).
  10. Воробьев В. Е. Основы электромеханики: Письменные лекции.. — СПб.: СЗТУ, 2003. — 79 с.
  11. Steven M. Kaplan Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary. — John Wiley & Sons, Inc, 2004.
  12. 1 2 Гольдберг О.Д., Хелемская С.П. Электромеханика: учебник для студ. высш. учеб. заведений / под. ред. Гольдберга О.Д.. — М.: Издательский центр "Академия", 2007. — 512 с. — ISBN 978-5-7695-2886-6.
  13. Копылов И. П. Математическое моделирование электрических машин. Учеб. для вузов. — 3-е изд., перераб. и доп.. — М.: Высш. шк., 2001. — 327 с.
  14. Основное уравнение электрической машины. Проверено 11 мая 2013. Архивировано из первоисточника 10 июня 2013.
  15. 1 2 Вольдек А. И. Электрические машины. Учебн. для студ. высш. техн. учеб. заведений.. — изд. 2-ое, перераб. и доп.. — Л.: Изд-во "Энергия", 1978. — 840 с.
  16. Juha PyrhЁonen, Tapani Jokinen and Valґeria Hrabovcovґa Design of Rotating Electrical Machine. — John Wiley & Sons, Ltd., 2008. — С. 330. — 512 p. — ISBN 978-0-470-69516-6.
  17. Копылов И. П. Электромеханические преобразователи энергии. — М.: "Энергия", 1973. — С. 393. — 400 с.

Ссылки[править | править вики-текст]