Electromecánica

Electromecánica
La ciencia
Tema	Ingenieria Eléctrica
Tema de estudio	Conversión de energía eléctrica en energía mecánica y viceversa, máquinas eléctricas , complejos y sistemas electromecánicos.
Período de origen	finales del siglo XIX
Direcciones principales	Teoría general de la conversión de energía electromecánica; Diseño de máquinas eléctricas ; Análisis de procesos transitorios en máquinas eléctricas.
Auxiliar disciplinas	Mecánica , electrodinámica , TOE , dispositivos eléctricos .
Centros de investigación	CIGRE , Empresa Unitaria del Estado Federal "NPP VNIIEM" , Planta "Electrosila " JSC "VNITI EM" , Centro de Electromecánica ( Universidad de Texas en Austin ), Centro de Electromecánica y Conversión de Energía ( Universidad de Missouri ), Laboratorio de Diseño Electromecánico de UC Berkeley ( UC Berkeley )
Científicos importantes	E. Arnold, R. Richter, R. Park, R. A. Luther, A. I. Importante, A. V. Ivanov-Smolensky, L. M. Piotrovsky, D. A. Zavalishin, A. I. Voldek , I. P. Kopylov

La electromecánica es una rama de la ingeniería eléctrica que se ocupa de los principios generales de conversión de energía electromecánica [1] [2] y su aplicación práctica para el diseño y operación de máquinas eléctricas [3] .

El tema de la electromecánica es el control de los modos de operación y la regulación de los parámetros de la conversión reversible de energía eléctrica en mecánica y mecánica en energía eléctrica, incluyendo la generación y transformación de energía eléctrica [4] .

La electromecánica como ciencia considera la creación y mejora de dispositivos de potencia e información para la conversión mutua de energía eléctrica y mecánica, dispositivos eléctricos, de contacto y sin contacto para conmutar circuitos eléctricos y controlar los flujos de energía [5] .

De acuerdo con el clasificador de especialidades para la educación de toda Rusia, la electromecánica es una especialidad de la educación profesional superior, cuya capacitación se lleva a cabo en el marco de la dirección 140600 - "Ingeniería eléctrica, electromecánica y electrotecnología" [6] [7] .

Historia de la electromecánica [2]

Uno de los primeros trabajos sobre electromecánica es el trabajo dedicado a la teoría y diseño de devanados de máquinas eléctricas de corriente continua, que fue publicado en 1891 por el científico suizo Engelbert Arnold [8] .

En las tres primeras décadas del siglo XX en los trabajos de E. Arnold, A. Blondel, M. Vidmar, L. Dreyfus, M. P. Kostenko , K. A. Krug y V. A. Tolvinsky, se desarrolló una teoría de máquinas eléctricas de estado estacionario.

En 1895, A. Blondel propuso el método de dos reacciones para el análisis de máquinas síncronas.

En 1929, R. Park , utilizando el método de dos reacciones, derivó las ecuaciones diferenciales de una máquina síncrona, que lleva su nombre.

En 1938-1942. G. Kron creó una teoría generalizada de máquinas eléctricas (ecuaciones diferenciales de una máquina eléctrica generalizada idealizada) y desarrolló métodos para el análisis de tensores y matrices de circuitos y máquinas eléctricas.

En 1963, I.P. Kopylov propuso un modelo matemático de un convertidor electromecánico generalizado para un campo magnético no sinusoidal en un entrehierro, aplicable a máquinas eléctricas simétricas y asimétricas con cualquier número de fases de los devanados del estator y del rotor y teniendo en cuenta la no linealidad de cambiar sus parámetros.

Definiciones alternativas de electromecánica

El académico A. G. Iosifyan dio una definición general de electromecánica: “La electromecánica es la ciencia del movimiento y la interacción de cuerpos macroscópicos y microscópicos de inercia material asociados con campos eléctricos y magnéticos” [9] . Considerando que se requiere la acción de una fuerza para poner un cuerpo en reposo, la definición dada por A. G. Iosifyan puede reducirse a la siguiente forma: “La electromecánica es una doctrina generalizada de las fuerzas que actúan en un campo electromagnético y los problemas asociados con la manifestación de estas fuerzas" [10] .

En fuentes extranjeras se encuentra la siguiente definición: “La electromecánica es una tecnología que considera cuestiones relacionadas con componentes, dispositivos, equipos, sistemas o procesos electromecánicos” [11] , donde por componentes electromecánicos se entiende máquinas eléctricas.

Áreas de conocimiento utilizadas en electromecánica

Conceptos básicos

Convertidor electromecánico , máquina eléctrica , máquina eléctrica generalizada, campo magnético rotatorio , reacción de armadura, principio de reversibilidad de máquinas eléctricas, carga de corriente lineal, constante de máquina de Arnold.

Leyes básicas de la electromecánica

Por regla general, las leyes de la electromecánica significan las siguientes leyes de la electrodinámica, que son necesarias para el análisis de procesos y el diseño de convertidores electromecánicos [12] .

1. Ley de inducción electromagnética de Faraday :

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

donde es la FEM, es el flujo magnético, es la inducción magnética en un punto dado del campo, es la longitud activa del conductor dentro de un campo magnético uniforme con inducción ubicada en un plano perpendicular a la dirección de las líneas del campo magnético, es la velocidad del conductor en un plano normal a , en la dirección , perpendicular a . ${\ matemáticas {E}}$ $\Fi$ $B$ $\ana$ $B$ $v$ $B$ $\ana$

2. Ley de corriente total para un circuito magnético ( primera ecuación de Maxwell en forma integral ):

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

donde es el vector de la intensidad del campo magnético, es el desplazamiento elemental a lo largo de algún camino en el campo magnético, es el valor de la corriente total, que está cubierta por el bucle de integración. ${\ vec {H}}$ ${\ vec {dl}}$ $\suma yo,$

3. La ley de las fuerzas electromagnéticas ( ley de Ampère ).

F=B\cdot I\cdot \ell .

El profesor MPEI Kopylov I.P. formuló tres leyes generales de la electromecánica [13] :

1ª ley : La conversión de energía electromecánica no puede realizarse sin pérdidas, su eficiencia es siempre inferior al 100%. 2ª ley : Todas las máquinas eléctricas son reversibles, la misma máquina puede funcionar tanto en modo motor como en modo generador. 3ª ley : La conversión de energía electromecánica se realiza mediante campos que son estacionarios entre sí. El rotor puede girar a la misma velocidad que el campo (en máquinas síncronas), o a una velocidad diferente (en máquinas asíncronas), pero los campos del estator y del rotor son estacionarios entre sí en el estado estacionario.

Ecuaciones Básicas

1. La ecuación básica de una máquina eléctrica [14] es una ecuación que relaciona los valores del diámetro del rotor y la longitud del rotor con la potencia del motor y el número de revoluciones por minuto:

{\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)),

donde es el diámetro del rotor, es la longitud del rotor, es la velocidad sincrónica de rotación del rotor en rpm (igual a la velocidad de rotación del primer armónico de la MMF del devanado del estator), es la potencia de la máquina eléctrica en kW, es el factor de potencia, es el factor de devanado, teniendo en cuenta la influencia de la distribución del devanado en las ranuras y el efecto de acortar el paso del devanado, - la amplitud del componente normal de la inducción magnética en el espacio de la máquina, - "carga lineal", igual al número de amperios conductores por 1 centímetro lineal de la circunferencia del estator. El lado derecho de la ecuación básica para un tipo de máquina dado (conocido) varía dentro de límites relativamente estrechos y se denomina "constante de máquina" o constante de Arnold. $D$ $yo$ $n_{1}$ $PAGS$ $\cos\varphi$ $k_{1}$ $B_{m}$ $A$

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

2. Ecuaciones de equilibrio para los voltajes de los devanados de una máquina eléctrica : ecuaciones compiladas para circuitos de devanado basadas en la segunda ley de Kirchhoff.

Para una máquina asíncrona con rotor de jaula de ardilla, las ecuaciones de equilibrio de tensión tienen la forma [15] :

{\dot U}_{s}=R_{s}\cdot {\dot I}_{s}+j\cdot x_{{\sigma s}}\cdot {\dot I}_{s}-{ \punto 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},

donde es el voltaje de fase del estator, y son las corrientes de fase del estator y del rotor, y son las resistencias activas de los devanados del estator y del rotor, y son las resistencias de fuga inductivas del estator y el rotor, y es la FEM inducida en el estator y el rotor devanados por el flujo magnético resultante de los campos del estator y del rotor.

{\punto U}_{s}

{\dot I}_{s}

{\ punto I}_{r}

R_{s}

R_{r}

x_{{\sigmas}}

x_{{\sigma r))

{\punto E}_{s}

{\punto E}_{r}

3. Ecuación de par electromagnético

La ecuación del momento electromagnético de una máquina asíncrona tiene la 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}}},

donde es el número de fases del devanado del estator, es el número de pares de polos, es el valor efectivo de la tensión del estator, es la frecuencia de la corriente del estator, es la resistencia activa del rotor, reducida al estator, es la resistencia activa del devanado de fase del estator, es la resistencia inductiva del cortocircuito, aproximadamente igual a la suma de la inductancia de fuga del estator y la inductancia de fuga del rotor reducida al estator . $milisegundo}$ $pags$ $A nosotros$ $\omega _{s}$ $R_{r}'$ $R_{s}$ $L_{k}$ $L_{k}\aprox. Ls\sigma +L'r\sigma$

La ecuación del par electromagnético de una máquina síncrona [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}}}\derecha),

donde es la FEM inducida en el devanado del estator por el flujo del rotor, es el ángulo de carga (el ángulo de fase entre la FEM y el voltaje del estator), son las resistencias inductivas síncronas longitudinales y transversales del devanado del estator. $mi$ $\Theta$ $x_{d},x_{q}$

Temas considerados en electromecánica

De acuerdo con GOST [4] , que determina el contenido de la formación de los graduados universitarios en la especialidad "Electromecánica", se consideran los siguientes temas en electromecánica:

Teoría general de la conversión de energía electromecánica;
Fenómenos físicos en convertidores electromecánicos y sus descripciones matemáticas en forma diferencial, algebraica y vectorial;
Principios de funcionamiento, diseños y principales características de los convertidores electromecánicos (transformadores, máquinas asíncronas y síncronas, máquinas colectoras de corriente continua y alterna);
Parámetros y modos de operación de máquinas eléctricas , requisitos operativos para ellas;
Procesos térmicos en máquinas eléctricas .

Los libros de texto de electromecánica contienen temas como [12] :

Leyes basicas de la electromecanica
Clasificación de las máquinas eléctricas.
transformadores
máquinas de corriente continua
Máquinas asíncronas
Máquinas síncronas

Problemas básicos de electromecánica

Cálculo de máquinas eléctricas con parámetros no lineales, teniendo en cuenta factores tales como: saturación, desplazamiento de corriente, cambio en el momento de inercia, momentos de choque de carga, tensión no sinusoidal [17] .
Optimización de máquinas eléctricas (en términos de eficiencia , en relación momento a masa, etc.).

Véase también

Notas

↑ White D.S., Woodson G.H. Conversión de energía electromecánica. - M. - L .: "Energía", 1964. - S. 7. - 528 p.
↑ 1 2 Capítulo 6. Electromecánica // Historia de la ingeniería eléctrica / sub. Ed. I. A. Glebova. - M. : Editorial de 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. Diccionario explicativo de la lengua rusa: en 4 volúmenes / Ed. D. N. Ushakova. - M. : Estado. editorial extranjera y nacional palabras., 1940. - T. 4. - 1502 p.
↑ 1 2 V. V. Galaktionov, Yu.G. Tatur, N. S. Gudilin, E.P. Popov. Nivel educativo estatal de educación profesional superior. Exponer los requisitos mínimos de contenido y nivel de formación de un egresado de la especialidad 180100 - Electromecánica . — Comité Estatal de la Federación Rusa para la Educación Superior. - M. , 1995. - 26 p.
↑ Comisión Superior de Certificación del Ministerio de Educación y Ciencia de la Federación Rusa. Materiales de referencia. (pdf) (enlace no disponible) . Pasaportes de especialidades de trabajadores científicos. Pasaporte de especialidad 05.09.01 Electromecánica y aparatos eléctricos. . Consultado el 17 de junio de 2013. Archivado desde el original el 8 de junio de 2013. (indefinido)
↑ OKSO 140600 - Ingeniería eléctrica, electromecánica y tecnologías eléctricas
↑ Direcciones de formación y especialidades de la educación profesional superior. Electromecánica Archivado el 17 de febrero de 2015 en Wayback Machine . educación rusa. portal federal
↑ Historia del Instituto de Ingeniería Eléctrica. El Instituto de Ingeniería Eléctrica (ETI) de la Universidad Técnica Gran Ducal de Karlsuhe. (enlace no disponible) . Consultado el 26 de mayo de 2013. Archivado desde el original el 16 de abril de 2013. (indefinido)
↑ Iosifyan A. G. Electromecánica en el espacio . - "Conocimiento", 1977. - 64 p. - ("Cosmonáutica, astronomía"). Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 7 de mayo de 2013. Archivado desde el original el 14 de junio de 2013. (indefinido)
↑ Vorobyov V.E. Fundamentos de electromecánica: conferencias escritas... - San Petersburgo. : SZTU, 2003. - 79 p.
↑ Steven M. Kaplan. Diccionario Wiley de ingeniería eléctrica y electrónica . - John Wiley & Sons, Inc., 2004. - ISBN 978-0-471-40224-4 .
↑ 1 2 Goldberg OD, Helemskaya SP Electromecánica: libro de texto para estudiantes. más alto libro de texto establecimientos / bajo. edición Goldberg O.D. - M. : Centro Editorial "Academia", 2007. - 512 p. — ISBN 978-5-7695-2886-6 .
↑ Kopylov I.P. Modelado matemático de máquinas eléctricas. proc. para universidades. - 3ª ed., revisada. y adicional .. - M . : Vyssh. escuela, 2001. - 327 p.
↑ Ecuación básica de una máquina eléctrica (enlace inaccesible) . Consultado el 11 de mayo de 2013. Archivado desde el original el 9 de junio de 2016. (indefinido)
↑ 1 2 Woldek A. I. Máquinas eléctricas. Libro de texto para semental más alto tecnología libro de texto establecimientos.. - ed. 2º, revisado. y adicionales .. - L . : Editorial "Energía", 1978. - 840 p.
↑ Juha Pyrhönen, Tapani Jokinen y Val'eria Hrabovcov'a. Diseño de Máquina Eléctrica Rotativa. - John Wiley & Sons, Ltd., 2008. - P. 330. - 512 p. - ISBN 978-0-470-69516-6 .
↑ Kopylov IP Convertidores de energía electromecánicos. - M. : "Energía", 1973. - S. 393. - 400 p.