Elektromekanik

Elektromekanik
Vetenskapen
Ämne	ellära
Studieämne	Omvandling av elektrisk energi till mekanisk energi och vice versa, elektriska maskiner , elektromekaniska komplex och system.
Ursprungsperiod	sent 1800-tal
Huvudriktningar	Allmän teori om elektromekanisk energiomvandling; Konstruktion av elektriska maskiner ; Analys av transienta processer i elektriska maskiner.
Extra discipliner	Mekanik , elektrodynamik , TOE , elektriska apparater .
Forskningscentra	CIGRE , Federal State Unitary Enterprise "NPP VNIIEM" , Växt "Electrosila " JSC "VNITI EM" , Center for Electromechanics ( University of Texas at Austin ), Center for Electromechanics and Energy Conversion ( University of Missouri ), UC Berkeley Electro-mechanical Design Laboratory ( UC Berkeley )
Viktiga vetenskapsmän	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 är en gren av elektroteknik som behandlar de allmänna principerna för elektromekanisk energiomvandling [1] [2] och deras praktiska tillämpning för konstruktion och drift av elektriska maskiner [3] .

Ämnet för elektromekanik är styrning av driftsätt och reglering av parametrarna för den reversibla omvandlingen av elektrisk energi till mekanisk och mekanisk till elektrisk energi, inklusive generering och omvandling av elektrisk energi [4] .

Elektromekanik som vetenskap överväger skapandet och förbättringen av kraft- och informationsenheter för ömsesidig omvandling av elektrisk och mekanisk energi, elektriska, kontakt- och beröringsfria enheter för att byta elektriska kretsar och kontrollera energiflöden [5] .

I enlighet med den allryska klassificeringen av specialiteter för utbildning är elektromekanik en specialitet för högre yrkesutbildning, vars utbildning utförs inom ramen för riktningen 140600 - "Elektroteknik, elektromekanik och elektroteknik" [6] [7] .

Elektromekanikens historia [2]

Ett av de första verken om elektromekanik är det arbete som ägnas åt teorin och designen av lindningar av elektriska likströmsmaskiner, som publicerades 1891 av den schweiziska vetenskapsmannen Engelbert Arnold [8] .

Under de tre första decennierna av 1900-talet i verk av E. Arnold, A. Blondel, M. Vidmar, L. Dreyfus, M. P. Kostenko , K. A. Krug och V. A. Tolvinsky, utvecklades en teori om stabila elektriska maskiner.

År 1895 föreslog A. Blondel metoden för två reaktioner för analys av synkrona maskiner.

År 1929 härledde R. Park , med hjälp av metoden för två reaktioner, differentialekvationerna för en synkronmaskin, uppkallad efter honom.

Åren 1938-1942. G. Kron skapade en generaliserad teori om elektriska maskiner (differentialekvationer för en idealiserad generaliserad elektrisk maskin) och utvecklade metoder för tensor- och matrisanalys av elektriska kretsar och maskiner.

1963 föreslog I.P. Kopylov en matematisk modell av en generaliserad elektromekanisk omvandlare för ett icke-sinusformat magnetfält i ett luftgap, tillämplig på symmetriska och asymmetriska elektriska maskiner med valfritt antal faser av stator- och rotorlindningarna och med hänsyn till olinjäriteten att ändra sina parametrar.

Alternativa definitioner av elektromekanik

Akademiker A. G. Iosifyan gav en allmän definition av elektromekanik: "Elektromekanik är vetenskapen om rörelse och interaktion mellan materiella tröghetsmakroskopiska och mikroskopiska kroppar associerade med elektriska och magnetiska fält" [9] . Med tanke på att verkan av en kraft krävs för att sätta en kropp i vila, kan definitionen som ges av A. G. Iosifyan reduceras till följande form: "Elektromekanik är en generaliserad doktrin om krafterna som verkar i ett elektromagnetiskt fält och de problem som är förknippade med manifestation av dessa krafter" [10] .

I utländska källor finns följande definition: "Elektromekanik är en teknik som beaktar frågor som rör elektromekaniska komponenter, anordningar, utrustning, system eller processer" [11] , där elektromekaniska komponenter avser elektriska maskiner.

Kunskapsområden som används inom elektromekanik

Grundläggande begrepp

Elektromekanisk omvandlare , elektrisk maskin , generaliserad elektrisk maskin, roterande magnetfält , ankarreaktion, reversibilitetsprincip för elektriska maskiner, linjär strömbelastning, Arnolds maskinkonstant.

Grundläggande lagar för elektromekanik

Som regel betyder elektromekanikens lagar följande elektrodynamiska lagar, vilka är nödvändiga för analys av processer och design av elektromekaniska omvandlare [12] .

1. Faradays lag för elektromagnetisk induktion :

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

var är EMF, är det magnetiska flödet, är den magnetiska induktionen vid en given punkt av fältet, är den aktiva längden av ledaren inom ett enhetligt magnetfält med induktion placerad i ett plan vinkelrätt mot riktningen för magnetfältslinjerna, är ledarens hastighet i ett plan vinkelrätt mot , i riktning , vinkelrätt mot . ${\mathcal {E}}$ $\Phi$ $B$ $\aln$ $B$ $v$ $B$ $\aln$

2. Total strömlag för en magnetisk krets ( 1:a Maxwell-ekvationen i integralform ):

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

var är vektorn för magnetfältets styrka, är den elementära förskjutningen längs någon väg i magnetfältet, är värdet på den totala strömmen, som täcks av integrationsslingan. ${\vec {H}}$ ${\vec {dl}}$ $\summa jag,$

3. Lagen om elektromagnetiska krafter ( Ampères lag ).

F=B\cdot I\cdot \ell .

Professor MPEI Kopylov I.P. formulerade tre allmänna lagar för elektromekanik [13] :

1: a lagen : Elektromekanisk energiomvandling kan inte utföras utan förluster, dess effektivitet är alltid mindre än 100 %. 2: a lagen : Alla elektriska maskiner är reversibla, samma maskin kan arbeta både i motorläge och i generatorläge. 3: e lagen : Elektromekanisk energiomvandling utförs av fält som är stationära i förhållande till varandra. Rotorn kan rotera med samma hastighet som fältet (i synkrona maskiner), eller med en annan hastighet (i asynkrona maskiner), men stator- och rotorfälten är stationära i förhållande till varandra i stationärt tillstånd.

Grundläggande ekvationer

1. Grundekvationen för en elektrisk maskin [14] är en ekvation som relaterar värdena för rotordiametern och rotorlängden med motoreffekten och antalet varv per 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)),

var är rotordiametern, är rotorns längd, är rotorns synkrona rotationshastighet i rpm (lika med rotationshastigheten för den första övertonen av statorlindningens MMF), är kraften hos den elektriska maskinen i kW, är effektfaktorn, är lindningsfaktorn, med hänsyn till påverkan av fördelningen av lindningen i slitsarna och effekten av att förkorta lindningsstigningen, - amplituden för den normala komponenten av den magnetiska induktionen i gapet av maskinen, - "linjär belastning", lika med antalet ampereledare per 1 linjär centimeter av statorns omkrets. Den högra sidan av grundekvationen för en given (känd) typ av maskin varierar inom relativt snäva gränser och kallas "maskinkonstanten" eller Arnolds konstant $D$ $l$ $n_{1}$ $P$ $\cos\varphi$ $k_{1}$ $B_{m}$ $A$

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

2. Balansekvationer för spänningarna för lindningarna i en elektrisk maskin - ekvationer sammanställda för lindningskretsar baserade på Kirchhoffs andra lag

För en asynkron maskin med en ekorrburrotor har spänningsjämviktsekvationerna 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},

var är statorns fasspänning, och är statorns och rotorns fasströmmar, och är de aktiva resistanserna för statorn och rotorlindningarna, och är de induktiva läckresistanserna för statorn och rotorn, och är EMF inducerad i statorn och rotorn lindningar av det resulterande magnetiska flödet av stator- och rotorfälten.

{\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 vridmomentekvation

Ekvationen för det elektromagnetiska momentet för en asynkron maskin 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}}},

var är antalet faser av statorlindningen, är antalet par av poler, är det effektiva värdet av statorspänningen, är frekvensen av statorströmmen, är rotorns aktiva motstånd, reducerat till statorn, är det aktiva motståndet hos statorns faslindning är kortslutningens induktiva motstånd, ungefär lika med summan av läckinduktansstatorn och läckinduktansen hos rotorn reducerad till statorn . $Fröken}$ $sid$ $U_s$ $\omega _{s}$ $R_{r}'$ $R_{s}$ $L_{k}$ $L_{k}\approx Ls\sigma +L'r\sigma$

Ekvationen för det elektromagnetiska vridmomentet för en synkronmaskin [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),

var är EMF inducerad i statorlindningen av rotorflödet, är belastningsvinkeln (fasvinkeln mellan EMF och statorspänningen), är de longitudinella och tvärgående synkrona induktiva resistanserna för statorlindningen. $E$ $\Theta$ $x_{d},x_{q}$

Frågor som behandlas inom elektromekanik

I enlighet med GOST [4] , som bestämmer innehållet i utbildningen av universitetsakademiker i specialiteten "Elektromekanik", övervägs följande frågor inom elektromekanik:

Allmän teori om elektromekanisk energiomvandling;
Fysiska fenomen i elektromekaniska omvandlare och deras matematiska beskrivningar i differential-, algebraisk och vektorform;
Funktionsprinciper, konstruktioner och huvudegenskaper hos elektromekaniska omvandlare (transformatorer, asynkrona och synkrona maskiner, kollektormaskiner för lik- och växelström);
Parametrar och driftsätt för elektriska maskiner , driftskrav för dem;
Termiska processer i elektriska maskiner .

Elektromekaniska läroböcker innehåller ämnen som [12] :

Elektromekanikens grundläggande lagar
Klassificering av elektriska maskiner
transformatorer
DC-maskiner
Asynkrona maskiner
Synkrona maskiner

Grundläggande problem inom elektromekanik

Beräkning av elektriska maskiner med icke-linjära parametrar, med hänsyn till sådana faktorer som: mättnad, strömförskjutning, förändring i tröghetsmomentet, lastchockmoment, icke-sinusformad spänning [17] .
Optimering av elektriska maskiner (i termer av effektivitet , i förhållande till moment till massa, etc.).

Se även

Anteckningar

↑ White D.S., Woodson G.H. Elektromekanisk energiomvandling. - M. - L .: "Energi", 1964. - S. 7. - 528 sid.
↑ 1 2 Kapitel 6. Elektromekanik // Elektroteknikens historia / under. utg. I. A. Glebova. - M . : Publishing House of MPEI, 1999. - 524 sid. - ISBN 5-7046-0421-8 .
↑ V. V. Vinogradov, G. O. Vinokur, B. A. Larin, S. I. Ozhegov, B. V. Tomashevsky, D. N. Ushakov. Förklarande ordbok för det ryska språket: I 4 volymer / Ed. D. N. Ushakova. - M . : Stat. utländskt förlag och nationella ord., 1940. - T. 4. - 1502 sid.
↑ 1 2 V.V. Galaktionov, Yu.G. Tatur, N.S. Gudilin, E.P. Popov. Statlig utbildningsstandard för högre yrkesutbildning. Ange krav på minimiinnehåll och utbildningsnivå för en examen i specialiteten 180100 - Elektromekanik . — Ryska federationens statliga kommitté för högre utbildning. - M. , 1995. - 26 sid.
↑ Kommission för högre intyg från Ryska federationens utbildnings- och vetenskapsministerium. Referensmaterial. (pdf) (inte tillgänglig länk) . Pass av specialiteter för vetenskapliga arbetare. Specialpass 05.09.01 Elektromekanik och elektriska apparater. . Hämtad 17 juni 2013. Arkiverad från originalet 8 juni 2013. (obestämd)
↑ OKSO 140600 - Elektroteknik, elektromekanik och elektriska tekniker
↑ Riktlinjer för utbildning och specialiteter för högre yrkesutbildning. Elektromekanik Arkiverad 17 februari 2015 på Wayback Machine . rysk utbildning. federal portal
↑ Historia av Institutet för elektroteknik. Institutet för elektroteknik (ETI) vid Karlsuhes storhertigliga tekniska universitet. (inte tillgänglig länk) . Hämtad 26 maj 2013. Arkiverad från originalet 16 april 2013. (obestämd)
↑ Iosifyan A. G. Elektromekanik i rymden . - "Kunskap", 1977. - 64 sid. - ("Kosmonautik, astronomi"). Arkiverad kopia (inte tillgänglig länk) . Hämtad 7 maj 2013. Arkiverad från originalet 14 juni 2013. (obestämd)
↑ Vorobyov V. E. Grundläggande om elektromekanik: Skriftliga föreläsningar .. - St. Petersburg. : SZTU, 2003. - 79 sid.
↑ 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: lärobok för studenter. högre lärobok anläggningar / under. ed. Goldberg O.D. - M . : Publishing Center "Academy", 2007. - 512 sid. — ISBN 978-5-7695-2886-6 .
↑ Kopylov I.P. Matematisk modellering av elektriska maskiner. Proc. för universiteten. - 3:e uppl., reviderad. och ytterligare .. - M . : Vyssh. skola, 2001. - 327 sid.
↑ Grundläggande ekvation för en elektrisk maskin (otillgänglig länk) . Hämtad 11 maj 2013. Arkiverad från originalet 9 juni 2016. (obestämd)
↑ 1 2 Woldek A. I. Elektriska maskiner. Lärobok för stud. högre tech. lärobok anläggningar.. - red. 2:a, reviderad. och ytterligare .. - L . : Publishing House "Energy", 1978. - 840 sid.
↑ Juha Pyrhönen, Tapani Jokinen och Val'eria Hrabovcov'a. Design av roterande elektrisk maskin. - John Wiley & Sons, Ltd., 2008. - S. 330. - 512 sid. - ISBN 978-0-470-69516-6 .
↑ Kopylov I.P. Elektromekaniska energiomvandlare. - M . : "Energi", 1973. - S. 393. - 400 sid.