Electromecanică

Electromecanică
Știința
Subiect	Inginerie Electrică
Subiect de studiu	Transformarea energiei electrice în energie mecanică și invers, mașini electrice , complexe și sisteme electromecanice.
Perioada de origine	sfârşitul secolului al XIX-lea
Direcții principale	Teoria generală a conversiei energiei electromecanice; Proiectare masini electrice ; Analiza proceselor tranzitorii în mașinile electrice.
Auxiliar disciplinelor	Mecanica , electrodinamica , TOE , dispozitive electrice .
Centre de cercetare	CIGRE , Întreprinderea Unitară Federală de Stat „NPP VNIIEM” , Planta "Electrosila " SA „VNITI EM” , Centrul de Electromecanică ( Universitatea din Texas din Austin ), Centrul pentru Electromecanică și Conversie a Energiei ( Universitatea din Missouri ), Laboratorul de proiectare electromecanică UC Berkeley ( UC Berkeley )
Oameni de știință semnificativi	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

Electromecanica este o ramură a ingineriei electrice care se ocupă de principiile generale ale conversiei energiei electromecanice [1] [2] și de aplicarea lor practică pentru proiectarea și exploatarea mașinilor electrice [3] .

Subiectul electromecanicii este controlul modurilor de funcționare și reglarea parametrilor conversiei reversibile a energiei electrice în energie mecanică și mecanică în energie electrică, inclusiv generarea și transformarea energiei electrice [4] .

Electromecanica ca știință are în vedere crearea și îmbunătățirea dispozitivelor de putere și informații pentru conversia reciprocă a energiei electrice și mecanice, dispozitive electrice, de contact și fără contact pentru comutarea circuitelor electrice și controlul fluxurilor de energie [5] .

În conformitate cu clasificatorul rusesc al specialităților pentru educație, electromecanica este o specialitate a învățământului profesional superior, pregătirea pentru care se desfășoară în cadrul direcției 140600 - „Inginerie electrică, electromecanică și electrotehnologie” [6] [7] .

Istoria electromecanicii [2]

Una dintre primele lucrări de electromecanică este lucrarea dedicată teoriei și proiectării înfășurărilor mașinilor electrice cu curent continuu, care a fost publicată în 1891 de omul de știință elvețian Engelbert Arnold [8] .

În primele trei decenii ale secolului XX în lucrările lui E. Arnold, A. Blondel, M. Vidmar, L. Dreyfus, M. P. Kostenko , K. A. Krug și V. A. Tolvinsky, a fost dezvoltată o teorie a mașinilor electrice în stare de echilibru.

În 1895, A. Blondel a propus metoda a două reacții pentru analiza mașinilor sincrone.

În 1929, R. Park , folosind metoda a două reacții, a derivat ecuațiile diferențiale ale unei mașini sincrone, numită după el.

În 1938-1942. G. Kron a creat o teorie generalizată a mașinilor electrice (ecuații diferențiale ale unei mașini electrice generalizate idealizate) și a dezvoltat metode pentru analiza tensorală și matriceală a circuitelor și mașinilor electrice.

În 1963, I.P. Kopylov a propus un model matematic al unui convertor electromecanic generalizat pentru un câmp magnetic nesinusoidal într-un spațiu de aer, aplicabil mașinilor electrice simetrice și asimetrice cu orice număr de faze ale înfășurărilor statorului și rotorului și ținând cont de neliniaritatea de modificarea parametrilor acestora.

Definiții alternative ale electromecanicii

Academicianul A. G. Iosifyan a dat o definiție generală a electromecanicii: „Electromecanica este știința mișcării și a interacțiunii corpurilor macroscopice și microscopice inerțiale materiale asociate cu câmpurile electrice și magnetice” [9] . Având în vedere că acțiunea unei forțe este necesară pentru a pune un corp în repaus, definiția dată de A. G. Iosifyan poate fi redusă la următoarea formă: „Electromecanica este o doctrină generalizată a forțelor care acționează într-un câmp electromagnetic și a problemelor asociate cu manifestarea acestor forţe” [10] .

În sursele străine se regăsește următoarea definiție: „Electromecanica este o tehnologie care are în vedere probleme legate de componentele, dispozitivele, echipamentele, sistemele sau procesele electromecanice” [11] , unde componente electromecanice înseamnă mașini electrice.

Domenii de cunoștințe utilizate în electromecanică

Concepte de bază

Convertor electromecanic , mașină electrică , mașină electrică generalizată, câmp magnetic rotativ , reacție a armăturii, principiul reversibilității mașinilor electrice, sarcină de curent liniar, constanta mașinii lui Arnold.

Legile de bază ale electromecanicii

De regulă, legile electromecanicii înseamnă următoarele legi ale electrodinamicii, care sunt necesare pentru analiza proceselor și proiectarea convertoarelor electromecanice [12] .

1. Legea lui Faraday a inducției electromagnetice :

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

unde este EMF, este fluxul magnetic, este inducția magnetică într-un punct dat al câmpului, este lungimea activă a conductorului într-un câmp magnetic uniform cu inducția situată într-un plan perpendicular pe direcția liniilor câmpului magnetic, este viteza conductorului într-un plan normal pe , pe direcția , perpendicular pe . ${\mathcal {E}}$ $\Phi$ $B$ $\ell$ $B$ $v$ $B$ $\ell$

2. Legea curentului total pentru un circuit magnetic ( prima ecuație Maxwell în formă integrală ):

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

unde este vectorul intensității câmpului magnetic, este deplasarea elementară de-a lungul unei căi în câmpul magnetic, este valoarea curentului total, care este acoperit de bucla de integrare. ${\vec {H}}$ ${\vec {dl}}$ $\sum i,$

3. Legea forțelor electromagnetice ( legea lui Ampère ).

F=B\cdot I\cdot \ell .

Profesorul MPEI Kopylov I.P. a formulat trei legi generale ale electromecanicii [13] :

Legea 1 : Conversia energiei electromecanice nu poate fi efectuată fără pierderi, eficiența acesteia este întotdeauna mai mică de 100%. Legea a 2-a : Toate mașinile electrice sunt reversibile, aceeași mașină poate funcționa atât în modul motor, cât și în modul generator. A 3-a lege : Conversia energiei electromecanice este realizată de câmpuri care sunt staționare unul față de celălalt. Rotorul se poate roti cu aceeași viteză ca și câmpul (la mașinile sincrone) sau cu o viteză diferită (la mașinile asincrone), dar câmpurile statorului și rotorului sunt staționare unul față de celălalt în starea staționară.

Ecuații de bază

1. Ecuația de bază a unei mașini electrice [14] este o ecuație care leagă valorile diametrului și lungimea rotorului cu puterea motorului și numărul de rotații pe 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)),

unde este diametrul rotorului, este lungimea rotorului, este viteza sincronă de rotație a rotorului în rpm (egale cu viteza de rotație a primei armonice a MMF a înfășurării statorului), este puterea mașinii electrice în kW, este factorul de putere, este factorul de înfășurare, ținând cont de influența distribuției înfășurării în fante și de efectul de scurtare a pasului de înfășurare, - amplitudinea componentei normale a inducției magnetice în decalaj a mașinii, - „sarcină liniară”, egală cu numărul de conductori amperi pe 1 centimetru liniar al circumferinței statorului. Partea dreaptă a ecuației de bază pentru un anumit tip (cunoscut) de mașină variază în limite relativ înguste și se numește „constanta mașinii” sau constanta lui Arnold $D$ $l$ $n_{1}$ $P$ $\cos\varphi$ $k_{1}$ $B_{m}$ $A$

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

2. Ecuații de echilibru pentru tensiunile înfășurărilor unei mașini electrice - ecuații compilate pentru circuitele de înfășurare bazate pe a doua lege a lui Kirchhoff

Pentru o mașină asincronă cu rotor cu colivie, ecuațiile de echilibru ale tensiunii au forma [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},

unde este tensiunea de fază a statorului și sunt curenții de fază a statorului și rotorului și sunt rezistențele active ale înfășurărilor statorului și rotorului și sunt rezistențele de scurgere inductive ale statorului și rotorului și este EMF indus în stator și rotor înfășurările prin fluxul magnetic rezultat al câmpurilor statorului și rotorului.

{\punct U}_{s}

{\punct I}_{s}

{\punct I}_{r}

R_{s}

R_{r}

x_{{\sigma s))

x_{{\sigma r))

{\punct E}_{s}

{\punct E}_{r}

3. Ecuația cuplului electromagnetic

Ecuația momentului electromagnetic al unei mașini asincrone are forma [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}}},

unde este numărul de faze ale înfășurării statorului, este numărul de perechi de poli, este valoarea efectivă a tensiunii statorice, este frecvența curentului statorului, este rezistența activă a rotorului, redusă la stator, este rezistența activă a înfășurării de fază a statorului, este rezistența inductivă a scurtcircuitului, aproximativ egală cu suma inductanței de scurgere a statorului și a inductanței de scurgere a rotorului redusă la stator . $Domnișoară}$ $p$ $Ne$ $\omega _{s}$ $R_{r}'$ $R_{s}$ $L_{k}$ $L_{k}\aprox Ls\sigma +L'r\sigma$

Ecuația cuplului electromagnetic al unei mașini sincrone [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}}}\dreapta),

unde este EMF indus în înfășurarea statorului de fluxul rotorului, este unghiul de sarcină (unghiul de fază dintre EMF și tensiunea statorului), sunt rezistențele inductive sincrone longitudinale și transversale ale înfășurării statorului. $E$ $\Theta$ $x_{d},x_{q}$

Probleme luate în considerare în electromecanică

În conformitate cu GOST [4] , care determină conținutul formării absolvenților de universități în specialitatea „Electromecanică”, următoarele aspecte sunt luate în considerare în electromecanică:

Teoria generală a conversiei energiei electromecanice;
Fenomene fizice în convertoare electromecanice și descrierile lor matematice în formă diferențială, algebrică și vectorială;
Principii de funcționare, proiecte și caracteristici principale ale convertoarelor electromecanice (transformatoare, mașini asincrone și sincrone, mașini colectoare de curent continuu și alternativ);
Parametri și moduri de funcționare a mașinilor electrice , cerințe operaționale pentru acestea;
Procese termice în mașini electrice .

Manualele de electromecanică conțin subiecte precum [12] :

Legile de bază ale electromecanicii
Clasificarea mașinilor electrice
transformatoare
Mașini de curent continuu
Mașini asincrone
Mașini sincrone

Probleme de bază ale electromecanicii

Calculul mașinilor electrice cu parametri neliniari, luând în considerare factori precum: saturația, deplasarea curentului, modificarea momentului de inerție, momentele de șoc de sarcină, tensiunea nesinusoidală [17] .
Optimizarea mașinilor electrice (din punct de vedere al randamentului , raportat la moment la masă etc.).

Vezi și

Note

↑ White D.S., Woodson G.H. Conversia electromecanica a energiei. - M. - L .: „Energie”, 1964. - S. 7. - 528 p.
↑ 1 2 Capitolul 6. Electromecanica // Istoria electrotehnicii / sub. ed. I. A. Glebova. - M . : Editura MPEI, 1999. - 524 p. - ISBN 5-7046-0421-8 .
↑ V. V. Vinogradov, G. O. Vinokur, B. A. Larin, S. I. Ozhegov, B. V. Tomashevsky, D. N. Ushakov. Dicționar explicativ al limbii ruse: În 4 volume / Ed. D. N. Ushakova. - M .: Stat. editura straina și națională cuvinte., 1940. - T. 4. - 1502 p.
↑ 1 2 V.V. Galaktionov, Yu.G. Tatur, N.S. Gudilin, E.P. Popov. Standardul educațional de stat al învățământului profesional superior. Cerințe de stat pentru conținutul minim și nivelul de pregătire al unui absolvent în specialitatea 180100 - Electromecanică . — Comitetul de Stat al Federației Ruse pentru Învățământul Superior. - M. , 1995. - 26 p.
↑ Comisia Superioară de Atestare a Ministerului Educației și Științei din Federația Rusă. Materiale de referinta. (pdf) (link indisponibil) . Pașapoartele specialităților lucrătorilor științifici. Pașaport de specialitate 05.09.01 Electromecanică și aparate electrice. . Consultat la 17 iunie 2013. Arhivat din original pe 8 iunie 2013. (nedefinit)
↑ OKSO 140600 - Inginerie electrică, electromecanică și tehnologii electrice
↑ Direcții de pregătire și specialități de învățământ profesional superior. Electromechanics Arhivat 17 februarie 2015 la Wayback Machine . Învățământul rusesc. portal federal
↑ Istoria Institutului de Inginerie Electrică. Institutul de Inginerie Electrică (ETI) al Universității Tehnice Marele Ducale din Karlsuhe. (link indisponibil) . Preluat la 26 mai 2013. Arhivat din original la 16 aprilie 2013. (nedefinit)
↑ Iosifyan A. G. Electromecanica în spațiu . - „Cunoașterea”, 1977. - 64 p. - („Cosmonautică, astronomie”). Copie arhivată (link indisponibil) . Consultat la 7 mai 2013. Arhivat din original la 14 iunie 2013. (nedefinit)
↑ Vorobyov V.E. Fundamentele electromecanicii: Prelegeri scrise .. - Sankt Petersburg. : SZTU, 2003. - 79 p.
↑ Steven M. Kaplan. Dicţionar de inginerie electrică şi electronică Wiley . - John Wiley & Sons, Inc., 2004. - ISBN 978-0-471-40224-4 .
↑ 1 2 Goldberg O.D., Helemskaya S.P. Electromecanica: manual pentru elevi. superior manual stabilimente / sub. ed. Goldberg O.D. - M . : Centrul de editare „Academia”, 2007. - 512 p. — ISBN 978-5-7695-2886-6 .
↑ Kopylov I.P. Modelarea matematică a mașinilor electrice. Proc. pentru universități. - Ed. a 3-a, revizuită. și suplimentar .. - M . : Vyssh. şcoală, 2001. - 327 p.
↑ Ecuația de bază a unei mașini electrice (link inaccesibil) . Preluat la 11 mai 2013. Arhivat din original la 9 iunie 2016. (nedefinit)
↑ 1 2 Woldek A. I. Mașini electrice. Manual pentru stud. superior tehnologie. manual stabilimente.. - ed. al 2-lea, revizuit. şi suplimentare .. - L . : Editura „Energia”, 1978. - 840 p.
↑ Juha Pyrhönen, Tapani Jokinen și Val'eria Hrabovcov'a. Proiectarea mașinii electrice rotative. - John Wiley & Sons, Ltd., 2008. - P. 330. - 512 p. - ISBN 978-0-470-69516-6 .
↑ Kopylov I.P. Convertoare electromecanice de energie. - M . : „Energie”, 1973. - S. 393. - 400 p.