Elektromekanik

Elektromekanik
Videnskaben
Emne	Elektroteknik
Undersøgelsesemne	Konvertering af elektrisk energi til mekanisk energi og omvendt, elektriske maskiner , elektromekaniske komplekser og systemer.
Oprindelsesperiode	slutningen af det 19. århundrede
Hovedretninger	Generel teori om elektromekanisk energiomdannelse; Design af elektriske maskiner ; Analyse af transiente processer i elektriske maskiner.
Hjælpe discipliner	Mekanik , elektrodynamik , TOE , elektriske apparater .
Forskningscentre	CIGRE , Federal State Unitary Enterprise "NPP VNIIEM" , Plant "Electrosila " JSC "VNITI EM" , Center for Elektromekanik ( University of Texas at Austin ), Center for Electromechanics and Energy Conversion ( University of Missouri ), UC Berkeley Electro-mechanical Design Laboratory ( UC Berkeley )
Betydende videnskabsmænd	E. Arnold, R. Richter, R. Park, R. A. Luther, A. I. Important, A. V. Ivanov-Smolensky, L. M. Piotrovsky, D. A. Zavalishin, A. I. Voldek , I. P. Kopylov

Elektromekanik er en gren af elektroteknik, der beskæftiger sig med de generelle principper for elektromekanisk energiomdannelse [ 1] [2] og deres praktiske anvendelse til design og drift af elektriske maskiner [3] .

Emnet for elektromekanik er kontrol af driftstilstande og regulering af parametrene for den reversible omdannelse af elektrisk energi til mekanisk og mekanisk til elektrisk energi, herunder generering og transformation af elektrisk energi [4] .

Elektromekanik som en videnskab overvejer skabelsen og forbedringen af strøm- og informationsenheder til gensidig konvertering af elektrisk og mekanisk energi, elektriske, kontakt- og ikke-kontaktenheder til at skifte elektriske kredsløb og kontrollere energistrømme [5] .

I overensstemmelse med den all-russiske klassificering af specialiteter til uddannelse er elektromekanik en specialitet inden for videregående faglig uddannelse, hvor træning udføres inden for rammerne af retningen 140600 - "Elektrisk teknik, elektromekanik og elektroteknologi" [6] [7] .

Elektromekanikkens historie [2]

Et af de første værker om elektromekanik er arbejdet med teori og design af viklinger af DC elektriske maskiner, som blev udgivet i 1891 af den schweiziske videnskabsmand Engelbert Arnold [8] .

I de første tre årtier af det 20. århundrede i værker af E. Arnold, A. Blondel, M. Vidmar, L. Dreyfus, M. P. Kostenko , K. A. Krug og V. A. Tolvinsky blev en teori om steady state elektriske maskiner udviklet.

I 1895 foreslog A. Blondel metoden med to reaktioner til analyse af synkrone maskiner.

I 1929 udledte R. Park ved hjælp af metoden med to reaktioner differentialligningerne for en synkronmaskine, opkaldt efter ham.

I 1938-1942. G. Kron skabte en generaliseret teori om elektriske maskiner (differentialligninger for en idealiseret generaliseret elektrisk maskine) og udviklede metoder til tensor- og matrixanalyse af elektriske kredsløb og maskiner.

I 1963 foreslog I.P. Kopylov en matematisk model af en generaliseret elektromekanisk konverter til et ikke-sinusformet magnetfelt i et luftgab, anvendelig til symmetriske og asymmetriske elektriske maskiner med et hvilket som helst antal faser af stator- og rotorviklingerne og under hensyntagen til ulineariteten at ændre deres parametre.

Alternative definitioner af elektromekanik

Akademiker A. G. Iosifyan gav en generel definition af elektromekanik: "Elektromekanik er videnskaben om bevægelse og interaktion mellem materielle inerti makroskopiske og mikroskopiske legemer forbundet med elektriske og magnetiske felter" [9] . I betragtning af, at virkningen af en kraft er påkrævet for at sætte et legeme i ro, kan definitionen givet af A. G. Iosifyan reduceres til følgende form: "Elektromekanik er en generaliseret doktrin om de kræfter, der virker i et elektromagnetisk felt og problemerne forbundet med manifestation af disse kræfter" [10] .

I udenlandske kilder findes følgende definition: "Elektromekanik er en teknologi, der tager hensyn til spørgsmål relateret til elektromekaniske komponenter, enheder, udstyr, systemer eller processer" [11] , hvor elektromekaniske komponenter betyder elektriske maskiner.

Videnområder brugt i elektromekanik

Grundlæggende begreber

Elektromekanisk konverter , elektrisk maskine , generaliseret elektrisk maskine, roterende magnetfelt , ankerreaktion, reversibilitetsprincip for elektriske maskiner, lineær strømbelastning, Arnolds maskinkonstant.

Grundlæggende love for elektromekanik

Som regel betyder elektromekanikkens love følgende elektrodynamiske love, som er nødvendige for analyse af processer og design af elektromekaniske omformere [12] .

1. Faradays lov om elektromagnetisk induktion :

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

hvor er EMF, er den magnetiske flux, er den magnetiske induktion i et givet punkt af feltet, er den aktive længde af lederen inden for et ensartet magnetfelt med induktion placeret i et plan vinkelret på retningen af magnetfeltlinjerne, er lederens hastighed i et plan vinkelret på , i retningen vinkelret på . ${\mathcal {E}}$ $\Phi$ $B$ $\ell$ $B$ $v$ $B$ $\ell$

2. Samlet strømlov for et magnetisk kredsløb ( 1. Maxwell-ligning i integralform ):

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

hvor er vektoren for den magnetiske feltstyrke, er den elementære forskydning langs en eller anden bane i magnetfeltet, er værdien af den samlede strøm, som er dækket af integrationsløkken. ${\vec {H}}$ ${\vec {dl}}$ $\sum jeg,$

3. Loven om elektromagnetiske kræfter ( Ampères lov ).

F=B\cdot I\cdot \ell .

Professor MPEI Kopylov I.P. formulerede tre generelle love for elektromekanik [13] :

1. lov : Elektromekanisk energiomdannelse kan ikke udføres uden tab, dens effektivitet er altid mindre end 100%. 2. lov : Alle elektriske maskiner er reversible, den samme maskine kan fungere både i motortilstand og i generatortilstand. 3. lov : Elektromekanisk energiomdannelse udføres af felter, der er stationære i forhold til hinanden. Rotoren kan rotere med samme hastighed som feltet (i synkrone maskiner), eller med en anden hastighed (i asynkrone maskiner), men stator- og rotorfelterne er stationære i forhold til hinanden i stabil tilstand.

Grundlæggende ligninger

1. Grundligningen for en elektrisk maskine [14] er en ligning, der relaterer værdierne for rotordiameteren og rotorlængden til motoreffekten og antallet af omdrejninger pr. minut:

{\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)),

hvor er rotordiameteren, er rotorens længde, er rotorens synkrone omdrejningshastighed i rpm (lig med rotationshastigheden af den første harmoniske af statorviklingens MMF), er den elektriske maskines effekt i kW, er effektfaktoren, er viklingsfaktoren, under hensyntagen til indflydelsen af fordelingen af viklingen i spalterne og effekten af at forkorte viklingsstigningen, - amplituden af den normale komponent af den magnetiske induktion i mellemrummet af maskinen, - "lineær belastning", svarende til antallet af ampereledere pr. 1 lineær centimeter af statoromkredsen. Højre side af grundligningen for en given (kendt) type maskine varierer inden for relativt snævre grænser og kaldes "maskinkonstanten" eller Arnolds konstant $D$ $l$ $n_{1}$ $P$ $\cos\varphi$ $k_{1}$ $B_{m}$ $EN$

C_{A}={\frac {D^{2}\cdot l\cdot n_{1}}{P}}.

2. Balanceligninger for spændingerne af viklingerne i en elektrisk maskine - ligninger kompileret for viklingskredsløb baseret på Kirchhoffs anden lov

For en asynkron maskine med en egern-burrotor har spændingsligevægtsligningerne formen [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},

hvor er statorens fasespænding, og er stator- og rotorfasestrømmene, og er de aktive modstande af statoren og rotorviklingerne, og er de induktive lækmodstande for statoren og rotoren, og er EMF induceret i statoren og rotoren viklinger af den resulterende magnetiske flux af statoren og rotorfelterne.

{\dot U}_{s}

{\dot I}_{s}

{\dot I}_{r}

R_{s}

R_{r}

x_{{\sigma s}}

x_{{\sigma r))

{\dot E}_{s}

{\dot E}_{r}

3. Elektromagnetisk drejningsmomentligning

Ligningen for det elektromagnetiske moment af en asynkron maskine har formen [16] :

\mathrm{M} _{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}}},

hvor er antallet af faser af statorviklingen, er antallet af polpar, er den effektive værdi af statorspændingen, er frekvensen af statorstrømmen, er rotorens aktive modstand, reduceret til statoren, er den aktive modstand af statorens fasevikling er kortslutningens induktive modstand, omtrent lig med summen af lækinduktansstatoren og lækinduktansen af rotoren reduceret til statoren . $Frk}$ $s$ $Os$ $\omega _{s}$ $R_{r}'$ $R_{s}$ $L_{k}$ $L_{k}\ca Ls\sigma +L'r\sigma$

Ligningen for det elektromagnetiske drejningsmoment for en synkronmaskine [15] :

\mathrm{M} _{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),

hvor er EMF induceret i statorviklingen af rotorfluxen, er belastningsvinklen (fasevinklen mellem EMF og statorspændingen), er de langsgående og tværgående synkrone induktive modstande af statorviklingen. $E$ $\Theta$ $x_{d},x_{q}$

Problemer, der overvejes i elektromekanik

I overensstemmelse med GOST [4] , som bestemmer indholdet af uddannelsen af universitetskandidater i specialet "Elektromekanik", overvejes følgende spørgsmål i elektromekanik:

Generel teori om elektromekanisk energiomdannelse;
Fysiske fænomener i elektromekaniske omformere og deres matematiske beskrivelser i differentiel, algebraisk og vektorform;
Principper for drift, design og hovedkarakteristika for elektromekaniske omformere (transformatorer, asynkrone og synkrone maskiner, kollektormaskiner med jævn- og vekselstrøm);
Parametre og driftsformer for elektriske maskiner , driftskrav til dem;
Termiske processer i elektriske maskiner .

Elektromekaniske lærebøger indeholder emner som [12] :

Grundlæggende love for elektromekanik
Klassificering af elektriske maskiner
transformere
DC maskiner
Asynkrone maskiner
Synkrone maskiner

Grundlæggende problemer med elektromekanik

Beregning af elektriske maskiner med ikke-lineære parametre under hensyntagen til faktorer som: mætning, strømforskydning, ændring i inertimomentet, belastningsstødmomenter, ikke-sinusformet spænding [17] .
Optimering af elektriske maskiner (med hensyn til effektivitet , i forhold til moment til masse osv.).

Se også

Noter

↑ White D.S., Woodson G.H. Elektromekanisk energiomdannelse. - M. - L .: "Energi", 1964. - S. 7. - 528 s.
↑ 1 2 Kapitel 6. Elektromekanik // Elektrotekniks historie / under. udg. I. A. Glebova. - M . : Publishing House of MPEI, 1999. - 524 s. - ISBN 5-7046-0421-8 .
↑ V. V. Vinogradov, G. O. Vinokur, B. A. Larin, S. I. Ozhegov, B. V. Tomashevsky, D. N. Ushakov. Forklarende ordbog over det russiske sprog: I 4 bind / Ed. D. N. Ushakova. - M . : Stat. udenlandsk forlag og nationalt ord., 1940. - T. 4. - 1502 s.
↑ 1 2 V.V. Galaktionov, Yu.G. Tatur, N.S. Gudilin, E.P. Popov. Statlig uddannelsesstandard for videregående faglig uddannelse. Angiv krav til minimumsindhold og uddannelsesniveau for en kandidat i specialet 180100 - Elektromekanik . — Den Russiske Føderations statsudvalg for videregående uddannelse. - M. , 1995. - 26 s.
↑ Kommission for højere attestering fra Ministeriet for Undervisning og Videnskab i Den Russiske Føderation. Referencematerialer. (pdf) (utilgængeligt link) . Pas af specialiteter af videnskabelige arbejdere. Specialpas 05.09.01 Elektromekanik og elektriske apparater. . Hentet 17. juni 2013. Arkiveret fra originalen 8. juni 2013. (ubestemt)
↑ OKSO 140600 - Elektroteknik, elektromekanik og elektriske teknologier
↑ Retningslinjer for uddannelse og specialer for videregående faglig uddannelse. Elektromekanik Arkiveret 17. februar 2015 på Wayback Machine . russisk uddannelse. føderal portal
↑ Institut for Elektrotekniks historie. Institut for Elektroteknik (ETI) ved det storhertugelige tekniske universitet i Karlsuhe. (utilgængeligt link) . Hentet 26. maj 2013. Arkiveret fra originalen 16. april 2013. (ubestemt)
↑ Iosifyan A. G. Elektromekanik i rummet . - "Viden", 1977. - 64 s. - ("Kosmonautik, astronomi"). Arkiveret kopi (ikke tilgængeligt link) . Hentet 7. maj 2013. Arkiveret fra originalen 14. juni 2013. (ubestemt)
↑ Vorobyov V.E. Grundlæggende om elektromekanik: Skriftlige forelæsninger .. - St. Petersborg. : SZTU, 2003. - 79 s.
↑ Steven M. Kaplan. Wiley Electrical and Electronics Engineering Dictionary . - John Wiley & Sons, Inc., 2004. - ISBN 978-0-471-40224-4 .
↑ 1 2 Goldberg O.D., Helemskaya S.P. Elektromekanik: lærebog for studerende. højere lærebog virksomheder / under. udg. Goldberg O.D. - M . : Publishing Center "Academy", 2007. - 512 s. — ISBN 978-5-7695-2886-6 .
↑ Kopylov I.P. Matematisk modellering af elektriske maskiner. Proc. for universiteter. - 3. udg., revideret. og yderligere .. - M . : Vyssh. skole, 2001. - 327 s.
↑ Grundlæggende ligning for en elektrisk maskine (utilgængeligt link) . Hentet 11. maj 2013. Arkiveret fra originalen 9. juni 2016. (ubestemt)
↑ 1 2 Woldek A. I. Elektriske maskiner. Lærebog til stud. højere tech. lærebog etablissementer.. - udg. 2., revideret. og yderligere .. - L . : Forlag "Energi", 1978. - 840 s.
↑ Juha Pyrhönen, Tapani Jokinen og Val'eria Hrabovcov'a. Design af roterende elektrisk maskine. - John Wiley & Sons, Ltd., 2008. - S. 330. - 512 s. - ISBN 978-0-470-69516-6 .
↑ Kopylov I.P. Elektromekaniske energiomformere. - M . : "Energi", 1973. - S. 393. - 400 s.