Проектирование систем электрооборудования автономных объектов

Литература
Сизякин Алексей Вячеславович
А.М. Сугробов, А.М. Русаков Проектирование электрических машин автономных объектов. Учебное пособие. М.: Издательский дом МЭИ 2012г.
Сугробов А.М. Проектирование электромашинных преобразователей для систем электрооборудования автономных объектов М.: Издательский дом МЭИ 2005г.
Балагуров В.А. Проектирование специальных электрических машин переменного тока М.: Издательство «высшая школа» 1982.
С.А. Грузков, С.Ю. Останин, А.М, Сугробов, П.А. Тыричев Магнитные материалы, обмоточные, монтажные и бортовые провода, для систем электрооборудования летательных аппаратов.
И.П. Копылов Проектирование электрических машин М.: Энергия 1980г.
В.Я. Беспалов, Н.Ф. Котеленец Электрические машины. М.: Академия 2006г.
Р. Фейнман, Р. Лейтон, М. Сэндс Фейнмановские лекции по физике М.: Издательство «МИР» 1965г.

Содержание курса
Сизякин Алексей Вячеславович
Основные вопросы проектирования ЭМП автономных объектов
Основные законы физики, используемые при проектировании электрооборудования;
Принцип и особенности работы различных ЭМП;
Общие требования к электрооборудованию автономных объектов. Пути их выполнения;
Магнитные системы ЭМП автономных объектов;
Проектный расчёт;
Поверочный расчёт.

Содержание курса
Сизякин Алексей Вячеславович
Проектный расчёт
Геометрия электромашинных преобразователей энергии. Магнитное поле в них.
Определение главных размеров электромашинных преобразователей.
Определение размеров магнитной цепи преобразователей.
Расчёт обмотки якоря.
Материалы для изготовления активных частей преобразователей.

Содержание курса
Сизякин Алексей Вячеславович
Поверочный расчёт
Схемы замещения магнитной цепи.
Построение характеристик спроектированного преобразователя.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Работа по переносу единичного заряда в поле из одной точки в другую есть разность потенциалов между этими точками

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Разность потенциалов между точками не зависит от траектории, по которой между ними перемещается заряд.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
В металлах множество электронов на внешних орбитах атомов могут перемещаться по объёму металла.
Под воздействием внешнего поля электроны начнут перемещаться и будут двигаться до тех пор, пока их расположение не сформирует электрическое поле, полностью компенсирующее внешнее.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Тогда в металле образуются группы зарядов, электроны с одной стороны, и ионы без электронов с другой.
Эти заряды создадут своё собственное электрическое поле, которое будет направлено против внешнего поля.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Электроны будут перемещаться до тех пор, пока внутреннее поле полностью не скомпенсирует внешнее.
Ведь только в этом случае на электроны внутри проводника перестанет действовать сила и перемещение прекратится.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если какая-то внешняя сила перенесёт электрон в другую часть проводника,
то на этот электрон вновь будет действовать сила, т.к. равенство внешнего и внутреннего полей нарушится.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если этот процесс повторять многократно, то в проводнике возникнет электрический ток.
Если проводник идеальный, то работа по переносу электрона равна нулю.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Но! Электроны на своём пути по проводнику встречают препятствия – атомы, инородные примеси, пустоты и т.д.
Не всем электронам удаётся дойти до противоположенного края проводника, за то время, пока внешняя сила их перенесёт обратно. Это приводит к тому, что электрическое поле внутри проводника не равно нулю, если есть их движение.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
А это означает, что работа внешней силы по переносу каждого конкретного единичного заряда также не равна нулю, а равна разности потенциалов между краями проводника.
Эта работа называется напряжением, а характеристика материала, отвечающая за количество препятствий для электронов называется сопротивлением.
Таким образом, чем меньше препятствий в проводнике, тем меньше работы надо совершать для того, чтобы обеспечить непрерывный поток электронов в этом проводнике. Т.е. меньше напряжение должно быть приложено к нему.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
И чем больше работы мы совершим по переносу зарядов, при одном и том же сопротивлении, тем больше будет поток электронов по проводнику.
Мы получили закон Ома:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Электрический ток через какую-либо поверхность показывает какое количество заряда протекает через эту поверхность в единицу времени.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если заряд движется, то на него может действовать ещё одна сила - магнитная.
Тогда полная сила запишется в виде:
Это выражение для силы Лоренца

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
B- магнитное поле, характеризующее силу, действующую на движущуюся заряженную частицу.
Поле В создаётся движущимися зарядами.
Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитных зарядов не существует.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Рассмотрим проводник, движущийся в магнитном поле:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
На электроны, движущиеся вместе с проводником будет действовать сила Лоренца:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Для перемещения электрона от одного края поля до другого сила совершит работу:
А для перемещения единичного заряда:
Работа поля это ЭДС
Тогда ЭДС, наводимая в витке:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Рассмотрим поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур:
Очевидно, что этот интеграл изменяется при движении витка в рассмотренном поле

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Оценим изменение этого потока, рассмотрим отдельно разнонаправленные составляющие:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Таким образом, полное изменение потока равно:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
И мы получаем закон электромагнитной индукции:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Закон Фарадея:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Функция ротора:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если размеры кубика малы:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
По другой оси:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Также, если кубик мал:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Результирующий момент от всех сил:
Rot F

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Теперь говорим об индукции:
Если вектор индукции направлен на нас (по оси Z), и её величина уменьшается, то:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
А это означает, что должно быть создано поле E:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Поле E нескольких элементарных квадратиков:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Поле E нескольких элементарных квадратиков:
Или, если грани малы:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Любую поверхность, ограниченную замкнутым контуром можно разбить на элементарные площади:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Тогда поле E, циркулирующее по контуру можно будет определить как сумму роторов всех элементов поверхности:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитный поток через элемент поверхности обозначим:
Тогда полный поток будет равен:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Выражение для циркуляции поля E примет вид:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если по линии контура пронести единичный заряд, то поле E совершит работу:
Равную своей циркуляции. А работа поля - это ЭДС.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Мы получили закон электромагнитной индукции:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Ещё мы помним, что на проводник с током должна действовать сила, если он помещён в магнитное поле…

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Как же её выразить?

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Как же создаётся магнитное поле?

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле витка с током

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле в ферромагнетиках

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле в ферромагнетиках

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле в ферромагнетиках

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле в ферромагнетиках

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Магнитное поле пропорционально току
Если ток изменяется, то и поле изменяется
А изменение поля приведёт к появлению ЭДС в витке
И ЭДС будет пропорциональна скорости изменения тока

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Отношение ЭДС к скорости изменения тока называется индуктивностью.

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
ЭДС – изменение потока, тогда:
И, если принять систему линейной, то:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Если контур тока содержит не один виток, то вводится термин потокосцепления.
Ведь ЭДС будет наводиться в каждом витке. Тогда определение индуктивности запишется как:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Расчёт магнитного потока – непростое занятие. Надо решать уравнения Максвелла…
Для инженерных расчётов вводятся понятия магнитодвижущей силы и напряжённости магнитного поля

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
В другой формулировке – это закон полного тока:

Основные законы физики
Сизякин Алексей Вячеславович
Таким образом вводится аналогия магнитных и электрических цепей:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как поле выглядит на самом деле:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Что будет происходить, если по обмотке потечёт переменный ток:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Что влияет на индуктивность:
1) Магнитные свойства материала сердечника
2) Магнитные свойства материала внешней среды
3) Геометрия сердечника
4) Число витков в обмотке

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность:

Принцип работы электротехнических устройств
Сизякин Алексей Вячеславович
Как рассчитать индуктивность: