Электрические машины в системном понимании предназначены для производства, преобразования и накопления электроэнергии. Многие годы с момента демонстрации первой электрической машины ее рассматривали как электромеханический преобразователь энергии. Однако научные исследования и развитие электроэнергетики привели к созданию электрических машин — источников и преобразователей энергии, которые вышли за пределы электромеханических преобразователей. В фундаментальном труде академика М. П. Костенко «Электрические машины (специальная часть)» содержится раздел, посвященный статическим преобразователям электроэнергии — выпрямителям. В курсе академика АН ЭстССР А. И. Вольдека «Электрические машины» рассматриваются МГД-преобразователи, в книге О. И. Золотарева «Синхронные машины» — статические полупроводниковые преобразователи одно- и трехфазного тока и т. д.
В Московском авиационном институте в течение многих лет студентам и слушателям факультетов повышения квалификации инженеров и преподавателей читаются лекции по теории электромеханических, динамических и статических преобразователей энергии, включая сверхпроводниковые.
Курс электрических машин — это комплексная развивающаяся наука, которая базируется на глубоких познаниях математики и физики, в том числе физики твердого тела, электротехники, электроники и энергетики, механики, аэро- и гидродинамики, технологии и материаловедения. Специалист по электрическим машинам в системном понимании выходит за пределы традиционного определения инженера-электромеханика.
Курс «Электрические машины» как научная дисциплина охватывает:
а) источники электроэнергии, к которым можно отнести электромеханические и МГД-генераторы, реакторы-генераторы на базе термоэлектрических и термоэмиссионных устройств, фотоэлектрические и электрохимические генераторы;
б) преобразователи энергии, к которым можно отнести электромеханические двигатели и электромашинные преобразователи, трансформаторы, ускорители элементарных частиц и термоядер-
'* 3 .
ный реактор с удержанием плазмы в устройстве типа «Токамак», которое является сложным типом трансформатора, электрические статические преобразователи и сверхпроводниковые устройства, преобразующие энергию без механического перемещения конструктивных элементов; •
в) накопители энергии — индуктивные, емкостные, электромеханические и электрохимические.
Все они объединяются общностью назначения, принципиальной возможностью совместной работы в гибридной энергосистеме и общностью теоретического фундамента. Научно-техническая революция привела к развитию новых типов электрических машин — источников и преобразователей энергии. В классическом понимании предполагалось, что в электрической машине имеет место взаимное перемещение конструктивных элементов и преобразование энергии сопровождается перемещением «в большом». Расширяя понятие электрической машины, можно подразумевать перемещение «в малом»: плазмы, жидкого металла, электронов, фотонов, учитывая, что преобразование энергии без движения вообще исключено. Таким образом, принцип движения в электрических машинах сохраняется «в большом» и «в малом». В настоящем учебном пособии сделана попытка отразить системный подход к понятию электрической машины.
Предлагаемая вниманию читателей книга представляет собой попытку объединения в рамках единого учебного пособия различных аспектов источников и преобразователей электрической энергии. При подготовке книги использовались публикации, приведенные в списке литературы.
Глава 1 посвящена особенностям авиационно-космической энергетики, учитывая, что учебное пособие предназначено в основном для авиационных вузов.
В гл. 2 кратко описаны принципы действия и устройства электромеханических преобразователей энергии как введение к гл. 3, где изложена теория электромеханического преобразования энергии на основе системы уравнений Максвелла, обобщенного закона Ома и математической модели обобщенной электрической машины.
В гл. 4—8 рассматриваются электрические машины. Значительное внимание уделено электрическим машинам специального исполнения. Отмечены вентильные, емкостные, линейные электрические машины, исполнительные двигатели, машины синхронной связи и т. д.
В гл. 9 и 10 излагаются физические свойства сверхпроводников и особенности сверхпроводниковых электрических машин переменного и постоянного тока, интерес к которым непрерывно возрастает: приводится обзор опытных образцов и проектов.
Нетрадиционным источникам энергии — прямым преобразователям солнечной, тепловой и химической энергий в электрическую, которые занимают все возрастающее место в авиационно-
4
мической и в автономной земной электроэнергетике, посвящена
ГЛ На базе общей теории электромеханического преобразования еогии в гл. 12 рассматривается теория рабочего процесса МГД-УГТООЙСТВ: кондуктивных и индуктивных генераторов и насосов оазличного типа. Таким образом, в первом приближении изложены основные виды источников и преобразователей энергии, объединенных общностью назначения и частично единством физических основ рабочего процесса.
Главы 1 9, 10, и 11 написаны проф. А. И. Бертиновым, 3 и 12 — проф. Д. А. Бутом, 2, 4, 5, 7 — проф. С. Р. Мизюриным, 8 —доц. Б. Л. Алиевским, б — доц. Н. В. Синевой. В написании гл. 4 принимал участие Д. А. Бут, а гл. 5 — доц. Д. Б. Кофман.
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам проф., докт. техн. наук Д. Э. Брускину и руководителям кафедр ВВИА им. Н. Е. Жуковского проф., докт. техн. наук П. Д. Давидову и доц., канд. техн. наук Б. В. Куприну, а также их сотрудникам доц., канд. техн. наук Г. И. Панасюку и доц., канд. техн. наук Г. В. Привалову за сделанные ими ценные замечания.
За большую работу по редактированию рукописи авторы приносят благодарность доц., канд. техн. наук В. Л. Лотоцкому.
Авторы отдают себе отчет, что книга не свободна от недостатков, и будут благодарны за все критические замечания, направленные на ее улучшение, которые просят адресовать в Энерго-издат, 113114, Москва М-114, Шлюзовая наб., 10.
Авторы
Оглавление
Предисловие............................ 3
Список основных сокращений.................... 6
Глава первая. Особенности авиационно-космической электроэнергетики .......................... 7
1.1. Полеты в атмосфере и в космосе.............. —
1.2. Условия работы электрических машин (ЭМ) летательных аппаратов (ЛА)....................... . 12
1.3. Основные потребители электроэнергии атмосферных и космических ЛА ........................ 15
1.4. Первичные источники энергии наземных, авиационных и космических электростанций................... 22
Глава вторая. Общие сведения об'электрических машинах. . . 48
2.1. Вводные понятия ..................... —
2.2. Основные части конструкции вращающихся ЭМ........ 49
2.3. Устройство и принцип действия индукционных ЭМ и трансформаторов .......................... 50
2.4. Устройство и принцип действия кондукционных ЭМ...... 56
2.5. Элементы конструкции обмоток............... 64
Глава третья. Физические основы электромеханического преобразования энергии........................ 67
3.1. Проблема электромеханического преобразования энергии ... —
3.2. Физические явления в электромеханическом преобразователе 68
3.3. Физические модели и обратимость ЭМП........... 77
3.4. Обобщенные модели ЭМ .................. 81
3.5. Использование уравнения Лагранжа для описания ЭМП .... 96 Глава четвертая. Общие вопросы теории магнитных и электрических цепей электрических машин.............. 97
4.1. Магнитная цепь ЭМ.................... —
4.2. Электрическая цепь ЭМ .................. 105
4.3. Магнитодвижущие силы (МДС)............... 113
4.4. Параметры ЭМ........................ 120
4.5. Потери мощности, КПД и охлаждение ЭМ.......... 125
Глава пятая. Трансформаторы ................ 128
5.1. Общие сведения...................... —
5.2. Уравнения однофазного двухобмоточного трансформатора . . . 129
5.3. Схема замещения трансформатора.............. 132
5.4. Режимы работы однофазного трансформатора......... 135
5.5. Потери мощности и КПД трансформатора .......... 145
5.6. Особенности трехфазных трансформаторов.......... 146
5.7. Дифференцирующий трансформатор............. 148
Глава шестая. Асинхронные машины (AM).......... 149
6.1. Общая характеристика режима работы при неподвижном и вращающемся роторе ..................... —
6.2. Основные уравнения и схемы замещения AM........ 153
6.3. Режимы работы и механическая характеристика AM..... 157
6.4. Процесс пуска АД..................... 167-
6.5. Регулирование частоты вращения АД ........... 168
6.6. Рабочие характеристики АД................ 172
6.7. Однофазные АД...................... 173
6.8. Асинхронные генераторы ................. 177
6.9. Асинхронные машины специального исполнения ...... 180
6.10. Асинхронные исполнительные двигатели и тахогенераторы . . 186
6.11. Индукционные машины следящих систем.......... 201
Глава седьмая. Синхронные машины (СМ).......... 224
7.1. Элементы теории рабочего процесса СМ . . . ^...... —
7.2. Основные характеристики СГ................ 242
551
7.3. Синхронная машина как объект регулирования....... 245
7.4. Бесконтактные tT ЛА (БСГ) ............... 247
7.5. Синхронный генератор с возбуждением от постоянных магнитов 251
7.6. Индукторные генераторы ................. 260
7.7. Синхронные двигатели (СД) с электромагнитным возбуждением 263
7.8. Синхронные параметрические (реактивные) двигатели (СРД) . 265
7.9. Синхронные шаговые двигатели .............. 266
7.10. Синхронные двигатели с катящимся ротором (ДКР)..... 267
7.11. Гистерезисные двигатели.................. 269
7.12. Синхронные муфты.................... 272
Глава восьмая. Машины постоянного тока (МПТ)...... 272
8.1. Устройство и общая характеристика рабочего процесса МПТ —
8.2. Переходные процессы возбуждения и самовозбуждения .... 275
8.3. Установившийся режим нагрузки............. 276
8.4. Эксплуатационные характеристики генераторов постоянного
тока........................... 286
8.5. Эксплуатационные характеристики двигателей постоянного тока 290
8.6. Переходные процессы в МПТ ............... 293
8.7. Исполнительные ДПТ автоматических устройств....... 296
8.8. Тахометрические ГПТ................... 300
8.9. Вентильные (бесконтактные) МПТ............. 301
8.10. Униполярные ЭМ........"............. 310
8.11. Емкостные генераторы высокого напряжения ........ 318
Глава девятая. Элементы теории сверхпроводимости ..... 328
9.1. Характеристика явления сверхпроводимости......... —
9.2. Сверхпроводники первого рода (СП-CI) ........... 332
9.3. Сверхпроводники второго рода (СП-СИ)........... 345
9.4. Чистые металлы при низких температурах.......... 360
Глава десятая. Сверхпроводниковые электрические машины
(СПЭМ) ............................ 363
10.1. Общая характеристика СПЭМ............... —
10.2. Сверхпроводниковые синхронные генераторы (СПСГ)..... 366
10.3. Сверхпроводниковые СГ промышленной частоты....... 383
10.4. Сверхпроводниковые СГ повышенной частоты........ 406
10.5. Сверхпроводниковые МПТ................. 414
10.6. Заключение........................ 423
Глава одиннадцатая. Прямое преобразование первичной
здергии в электрическую .................... 424
11.1. Физические основы прямого преобразования энергии .... —
11.2. Фотоэлектрические преобразователи (ФП) и солнечные генераторы ..................;........ 435
11.3. Термоэлектрические генераторы (ТЭГ) ........... 459
11.4. Термоэмиссионные преобразователи (ТЭП)......... 478
11.5. Топливные элементы и электрохимические генераторы. . . . 492 П.6. Заключение........................ 502
Глава двенадцатая. Магнитогидродинамические устройства
(МГДУ)...............-............. 507
12.1. Общая характеристика МГДУ как преобразователей энергии —
12.2. Принцип действия основных МГДУ ............ 508
12.3. Области использования МГДУ и их рабочие тела....... 511
12.4. Физические процессы в кондукционном МГД-канале..... 5U
12.5. Кондукционные МГДГ .................. 524
12.6. Кондукционные МГД-насосы................ 532
12.7. Физические процессы в индукционных МГД-машинах .... 534
12.8. Индукционные МГД-насосы.........•......'. 543
Список литературы......................... 547
Предметный указатель........................ 549
Цена: 300руб.
