1-ma’ruza. “Elektr mashinalari va yuritmalari” faniga kirish

1.13-rasm. O.Blati, M.DerivaK. Sipernovskiylarning transformatori.

O’tgan asrning 70-80-yillarida xotirada qolgan ish qilindi. 1879-yildaV.Simens Berlin ko’rgazmasida birinchi temir tayanchli liniyalarni ko’rsatdi. 1882-yilda M.Depre kuchlanishi 1500-2000 V quvvati 2kVt li o’zgarmas tokni 57 km masofaga uzatdi.

F.Engels 1883-yilda bu to’g’risida “...bukatta revol Yusiya. Bug’ mashinasi bizga issiqlikni mexanik harakatga aylanishini o’rgatdi, ammo elektr energiyasining yaratilishi bizga uni barcha turdagi energiyaga: issiqlikka, mexanik harakatga, elektrga, magnitga, yorug’likga, biridan ikkinchisiga aylantirish ularni sanoatda qo’llash imkonini beruvchi yo’lni ochdi va bu sanoatdagi barcha chegaralarni ochdi, joydagi sharoitlar bilan ta’minladi, shuningdek uzoqdagi suvning energiyasidan foydalanish imkoni berdi, albatta bu ish dastlab faqat shaharlar uchun foydali bo’ldi, lekin oxir oqibat bu shahar va qishloqlar orasidagi qarama-qarshiliklarni bartaraf etish uchun ulkan kuchli richak bilan turdi ” deb yozgan edi.
Bir fazali o’zgaruv chantok garchi elektr energiyani uzoq masofalarga uzatish imkonini bersada, ishlab chiqarishda o’zgaruvchan tokni qo’llash bo’yicha muammolar hal bo’lmadi. O’zgaruvchan tokning bir fazali motorini ishga tushurish toki yo’q edi, kichik tok ko’rsatkichlariga ega edi va elektr yuritmada qo’llash uchun yaramadi. XX asrning 80-yillarini oxirlarida G.Ferraris vaN.Tesla g’altak bilan aylanuvchi magnit maydon hosil bo’ladigan ikki fazali o’zgaruvchan tokmashinasiniyaratishdibundasiljishfazoda 90⁰ga, tokvasiljishorasidagifazalarfarqi 90⁰gatengbo’ldi.G.Ferrarisningikkifazalimotoriningmoduli 1.14-rasmdako’rsatilgan.

1.14-rasm. Ferrarisaning ikki fazali sinxron motorining moduli.

1889-yilda buyuk rus elektrotexniki M.O.Dolivo-Dobrovolskiy o’zgaruvchan tokning uch fazali sistemasini taklif qildi va ayni shu yilda birinchi uch fazali asinxron motorni va transformatorni yasadi.

M.O.Dolivo-Dobrovolskiy uch fazalining manbasi sifatida o’zgarmas tok mashinasidan foydalandi, 120⁰ ostida cho’lg’amlardan kavsharlangan simlarni yasadi va ularni uchta halqaga chiqardi. 1889-yilning bahorida birinchi quvvati 180 Vt bo’lgan rotori qisqa tutashgan uchfazali asinxron motor qurildi. So’ngra rotor cho’lg’amlari qisqa tutashtirilgan va faza rotorlarni yanada quvvatli motorni tayyorlash boshlandi (1.15-rasm).



1.15-rasm. M.O.Dolivo-Dobrovolskiyning motorini umumiy ko’rinishi.

1891-yilda uch fazali transformatorlar cho’lgamlari radial joylashtirilgan holda qurildi. M.O.Dolivo-Dobrovolskiy bir tekislikda joylashgan parallel sterjenli uch fazali transformatorlar uchun paten toldi. Hozirgi kunda xuddi shu ko’rinishdagi transformatorlar qo’llanilmoqda.

Allaqachon 1891-yildagi umumjahon elektrotexnika ko’rgazmasida 170 km masofaga 15 kV kuchlanish vaqtida 230 kV A quvvatli uch fazali o’zgaruvchan toknin guzatilishi ma’lum bo’lgandi. Maksimal uzatishning FIK75,2 % bo’lgandi. O’tganasrning 90-yilini boshlaridan o’zgaruvchan tokning uch fazali sistemalari energetikaga kirib keldi.
1899-yilda ilk bor bug’ turbinasi quvvati 1 MVt bo’lgan turbo generator bilan ulandi. Sanoatning barcha tarmoqlarida elektrni tatbiq qilish ishlari boshlandi. Ulkan sinxron va asinxron mashina, transformatorli kuchli elektrostansiya qurildi. Keyinchalik aloxida stansiyalar yagona energosistemaga birlashib 100 million kilovatt quvvatga erishishdi. XX asr sanoatining boshqa tarmoqlari elektr sanoati bilan rivojlandi.
Mashinalarning quvvati 100-1000 baravar oshdi, quvat o’lchovida materiallarning isrofi 10-100 marta kamaydi. Texnikaning turli xil sohalarida ulkan elektr mashinalari nafaqat kuchli o’zgartirgich sifatida balki avtomatikaning aniq navigatorlari va boshqa sistemalari uchun indikator sifatida ham qurildi.
So’nggi o’n yillikning har yilida patent beruvchi tashkilot dunyo bo’ylab avtorlik guvohinoma va “Elektr mashinasi” nomidagi patentlarni topshirdi. Ulkan ixtirolarni bu oqimdan ajratib olish qiyin, chunki murakkab masalalarni yechishga yordam beruvchi noyob elektromexanik sistemalar juda ko’p qurilgan edi. Elektr mashinalari dunyo bo’ylab hayotimizga mustahkam o’rnashdi. Odamlar unga tezko’nikdi va jamiyat rivojlanish asrida,yutuqlarning hayratlanarlik o’rinishlaridan ajablanmay qo’yishdi. XX-asrning o’rtalarida mashina qurollari va boshqaruv elementlari, magnit kuchaytirgichlar va yarim o’tkazgichli o’zgartirgichlar bilan elektr mashinalarida o’zgarishlar sodir bo’ldi.
Maxsus mashina sanoati rivojlandi. Kuchaytirgich mashinalar, motorning turli ishlatilishi, oldimlovchi motorlar, impuls generatorlar, MGD-generatorlari va ko’plab noyob elektr mashinalari paydo bo’ldi. Biroq ularning yaratuvchilari uning o’xshashlarini tarixiy izoh sifatida xuddi qoida dek ko’rsatishdi, garchi unchalik o’xshash bo’lmasada o’tgan asrning ixtirochilari, olimlari bo’lgan[8].
Elektr maydonida energiyani elektromexanik o’zgarishlari asosida ishlovchi mashinalar bilan o’z tarixini boshladi, XIX va XX asrda induktiv elektr mashinalari tufayli elektromexanika ulkan yutuqlarga erishdi, qaysiki magnit maydon bilan elektr maydoni hosil qilindi. Bu vaqtga qadar sig’im mashinalarda faqat alohida texnik omadli yechim bo’ldi. 1870- yilda Unim sherst maktablardagi fizika kursida namoyish etgan sirpanish mashinalarini yaratdi. 1936-yildaVan-de-Graf kuchlanishi 6 mln.Vva quvvati 6 kVt bo’lgan generatorni qurdi va doimiy yuqori kuchlanish olish uchun sinov o’rnatishlarida qo’llanildi. Buyuk fiziklar A.F.Ioffe, N.D.Papaleksi, L.I.Mandelshtam va boshqalarning urinishlariga qaramasdan xuddi kuchli sig’im o’zgartiruvchi mashinalar kabi amaliy qo’llanma topisha olmadi. Ammo bu hech qanday ahamiyat kasb etmadi, sig’im mashinalarining kelajagi yo’q edi, ular boshqa imkoniyatlarni o’zlariga to’xtatish va elektro mexanika rivoji uchun o’zlarining hissalarini qo’shishlari kerak edi.
Elektr mashinalarining yaratilishi bilan bir vaqtda energiyaning o’zgarish elektro mexanika nazariyasi ham rivojlandi. XV III va XIX asrning deyarli barcha buyuk olimlari elektrotexnika rivojiga o’zlarining hissalarini qo’shishdi. Elektr mashinalarining nazariyasi M.V.Lomonosov, A.Amper, G.Om, D.Djoul, E.Lens, G.Gelm gols va boshqa buyuk fiziklari bilan bog’liq.
Elektromagnit nazariyasining rivojlanishida asosiy xizmat D.K.Maksvellga tegishli,qaysiki “Elektr va magnitizm haqidagi ilmiy asar”da elektromagnit maydonning matematik nazariyasini bayon etgan. Maksvell tenglamasi maydon nazariyasini ta’rifladi va energiyaning o’zgarishi elektromexanika nazariyas i uchun asospaydo bo’ldi.
Elektrmashinalari nazariyasi uchun professor N.A.Umov va D.Poyitingning ishlari katta ahamiyat kasb etdi.
Elektrmashinalaring loyihasi bo’yicha birinchi nazariy ish deb E.Arnoldning 1891-yilda chiqqan cho’lg’amlarning konstruksiya va nazariyasi bo’yicha ishlarini hisoblash mumkin.
1893-yilda birfazali motorlar va transformatorlar nazariyasi bo’yicha G.Ferrarisning ishi muhim asos bo’ldi. M.O.Dolivo-Dobrov olskiyning transformatorlarning loyihasi va nazariyasi asoslari, asinxron motor ning loyihalash asoslari kabi ishlari muhim asos bo’ldi (1893-yil). O’tgan asrning 90-yillarida transformatorlar nazariyasi bilan G.Kappa, Ben-Eshenburg va boshqalar samarali shug’ullandi.
Asinxronmashinalarning aylanma diagrammasiniA.Geyland (1884-yil), yanada aniqrog’i niesa Osanna (1900 –yilda) taklif qildi. Asinxronmashinalarning aylanma diagrammasini mavjud matematik tasdiqlarini K.A.Krug 1907-yilda berdi. Elektr mashinalarining nazariyasining rivojida 1897-yilda I.Shteynmetsomning sim vollimetodi va asrimizning 20-yillarida Forteskning simmetrik tashkil etuvchilar metodining kirib kelishi muhim asos bo’ldi.
Ko’plab olimlarning 30-yillardagi ishlari bilan, birinchi navbatdaE.Arnold, A.Blondel, M.Vidmar, L.Dreyfus, K.A.Kruga, B.S.Kulebakin,R.Rixtera, K.I.Shenfera va boshqalar, elektr mashinalarining o’rnatish rejimining klassik nazariyasi yaratildi. Elektrmashinalarining barcha turlari bo’yicha elektr mashinalarining o’rnatish rejimlari nazariyasi ifoda etilgan klassik qo’llanmalar bu vaqtgacha yozib bo’lindi. Elektr mashinalarining rivojiga ikkinchi jahon urishigacha va urushdan keyin sobiq ittifoq olimlariA.I.Voldek, V.T.Kasyanov, M.P.Kostenko, A.N.Larionov, P.A.LYuter, G.N.Petrov, L.M.Piotrovitskiy, P.S.Sergeev,V.A.Tolviniskiy va boshqalar ulkan xissa qo’shganlar.
Elektr mashinalarining rivojida muhim asr bo’lib G.Kronning umumiy elektr mashinalari bo’yicha 30-40- yillarda qilgan ishlari bo’lib hisoblanadi. G.Kronin duktiv mashinalarning barcha ko’rinishlaridan olinishi mumkin bo’lganidan umumiylashgan mashinalarning tenglamasini va modelini taklif qildi. Umumiy xulosa elektrmashinalari nazariyasida G.Kroin asoslisi ljitishlar qildi.
So’nggi o’nyillikning hisoblash mashinalri murakkab sistemadagi differensial tenglamalarni, elektr mashinalarining nochiziqli hisoblari bilan o’rnatish va davriy rejimlari ta’rifi, nosinusoidal kuchlanish manbai, analog jarayoni dab hisob energiya o’zgarishidan oldin stator va rotor hamda boshqa faktorlar dagi ko’plab tarmoqlar amallarni yecha oldi.
B.Adkins, G.Vudson, A.A.Gorev, L.N.Gruzov, E.YA,Kazovskiy, I.Kovach, G.N.Petrov, I.Ratsa, I.I.Treshev, D.Uaytkabi ko’plab olimlarning ishlari bilan elektr mashinalrining davriy jarayoni nazariyasi oldinga siljidi.
Elektr mashinalarining rivojlanish tarixi bugungi kunda boshliqI.A.Glebov,I.M.Postnikov, B.B.Romanov, N.S.Siunov, G.A.Sipaylov,V.A.Yakovenko va ko’plab boshqa olimlar bilan ming lab ishlab chiqarishlarda, elektromexanikaning ilmiy va o’quv kollektivlarida davomv etmoqda.

Har bir davlat iqtisodiyatini elektr energiya bilan ta’­min­lash uning faoliyatidagi eng muhim soha hisoblanadi. Tog‘-metallurgiya sanoati, mashinasozlik, qurilish, transport va boshqa soha korxonalarini rivojlantirishda elektr ener­getikasi asosiy poydevor, xalqning turmush farovon­ligini oshirishda, umuman, davlat hayotining barcha yo‘nalish­larida etakchi omil hisoblanadi. Elektr mashinalari elektr stansiya­larda elektr energiyani ishlab chiqarishda ham, sanoat korxona­larini ishga tushirishda va aholi hayotining barcha sohalari­dagi elektr energiyani iste’mol qilishda ham asosiy vosita hisoblanadi.

Elektr mashinasi – mexanik energiyani elektr energiyaga va, teskari­si, elektr energiyani mexanik energiyaga aylatiruvchi elektromexanik energiya o‘zgartkichidir.
Elektr energiyasi elektr stansiyalarda elektr mashinalari – gene­rator yordamida ishlab chiqariladi. Bizning davlatimizda elek­tr energiyaning asosiy qismi (95% gacha) issiqlik elektr stansiyalarida (IES) organik yoqilg‘ini (gaz, ko‘mir, mazut) yoqish yo‘li bilan ishlab chiqariladi. Unda suv qaynatilib, yuqori bosim­dagi bug‘ga aylantiriladi. Bug‘ bosim turbinaga uzatiladi va rotorni aylantiradi (issiqlik energiyasi turbinada mexanik energiyaga aylantiriladi). Turbinaning rotoridan aylanma xara­kat generator (turbogenerator) valiga uzatiladi. Generator­dagi sodir bo‘layotgan elektromexanik jarayonlar natijasida mexanik energiya elektr energiyaga aylanadi.
Gidravlik elektr statsiyalarda (GES) elektr energiya ishlab chiqarish jarayoni quyidagicha bo‘ladi: to‘g‘on yordamida ma’lum sathgacha ko‘tarilgan suv gidravlik turbinaning ishchi g‘ildi­ragi (parragi)ga quyiladi; bunda turbina parragini aylan­tirishda hosil bo‘lgan mexanik energiya elektr genera­torining valiga uza­tiladi va unda mexanik energiya elektr energiyasiga aylantiriladi.
Elektr energiyani iste’mol qilish natijasida u boshqa turdagi (issiqlik, mexanik, ximik) energiyaga aylantiriladi. Elektr energiyasining absolyut katta qismi (dastgohlar, tegirmonlar, nasos stansiyalari, transport vositalari) sanoat uskunalarini harakatga keltirishda, ya’ni mexanik energiyaga aylantirishda ishla­tiladi. Bunday elektromexanik energiya o‘zgartirilishi elektr mashinalari – elektr motorlari yordamida amalga oshiriladi.
Elektr motori – korxonalar ishchi mexanizmlari elektr yuritma­­larining asosiy elementidir. Elektr energiya para­metrlarini ishonchli boshqarish, uni muammosiz taqsim­lash usullari mavjudligi, sanoatda biror ishchi jihozning alohida zvenolari mustaqil motorlar yordamida harakatga keltirish imkonini beruvchi ko‘p motorli elektr yuritma­larining keng qo‘llanishiga olib keldi.
Elektr stansiyalarda ishlab chiqarilayotgan elekt energiya­sini iste’molchiga uzatish, birinchi galda elektr stansiya­lardan birnecha yuzlab kilometr uzoqlikda joylashgan yirik sanoat markaz­lariga etkazib berish zarur. So‘ngra xar turdagi iste’molchilar: sanoat korxonalari, transport, qurilish, turar joy va h.k.larga taqsimlash lozim. Elektr energiyani uzoq masofalarga yuqori (500 kVgacha) kuchlanish­larda, demak, past toklarda uzatiladi. Bu bilan elektr uzatish liniyalar (EUL)ida sodir bo‘luvchi elektr isroflari (Joul isrof­lari)ni minimal darajagacha etkaziladi. Shu sababli elektr energiyasini uzatish va taqsimlashda kuchlanishni bir necha marta kuchaytirish va pasayitirishga to‘g‘ri keladi. Kuchlanish­ning bunday o‘zgar­tirilishi transformator deb nomlangan elektromagnit quril­masida bajariladi. Transfor­mator elektr mashinasi emas, chunki u ishlaganda elektr ener­giyasi mexanik energiyaga aylantirilmaydi va, aksincha, mexanik energiya elektr energiyasiga aylan­tiril­maydi; trans­formator faqat elektr energiyasining kuchlanishi va toki­ning miqdor­larini o‘zgartiradi, xolos. Transformator – statik elektro­magnit apparat bo‘lib, unda xarakatlanuvchi qismlar yo‘q. Biroq, transformatorda kechuvchi elektromagnit o‘zgarish­lar elektr mashinasi ishlagandagi jarayonlarga o‘xshashdir. Magnit maydoni bilan tokli o‘tkazgich o‘zaro ta’sir etish jarayon­larining tabiati elektr mashinalari va transfor­matorlarda bir xil kechadi. Shu sababli, transformator­lar elektr mashina­­lari fanining ajral­mas qismi hisoblanadi.
K.2 Elektr mashinalari ishlash prinsipi asosida yotuvchi tabiat qonunlari, qoidalari va hodisalari

«Elektr mashinalari» fanini o‘rganish «Elektrotexnika naza­riy asoslari» fanida keltirilgan elektr va magnit hodisa­lari­ning fizik talqinlarini bilishga asoslangan. Shunga qara­may, «Elektr mashinalari» fanini o‘rganishga kirishdan avval, elektr mashinalari ishlash prinsipi asoslangan ba’zi qonun va qoida­larni, birinchi galda, elektromagnit induksiyasi qonunini fizik talqinini yodga olamiz.

Elektromagnit induksiyasi qonuni. Elektr mashinasi generator rejimida ishlash jarayonida mexanik energiyaning elektr energiyaga aylanadi. Bu jarayon elektromagnit induk­siyasi qonuni asosida tushuntiriladi: agar magnit maydonida joylashgan o‘tkazgichga F kuch ta’sir etib (K.1-rasm,a), uni, masalan, chapdan o‘ngga magnit maydon induksiya vektori V ga perpendikulyar xarakatlantirilsa, u holda o‘tkazgichda EYUK induktivlanadi


, (K.1)

bunda, V – magnit maydon induksiyasi, Tl; l – o‘tkazgichning aktiv uzunligi, ya’ni magnit maydonda joylashgan uzunligi, m; v – o‘tkazgich xarakatining tezligi, m/s.

«O‘ng qo‘l» va «chap qo‘l» qoidalari. Yuqoridagi o‘tkazgich­da induktivlangan EYUKning yo‘nalishini aniqlash uchun «o‘ng qo‘l» qoidasidan foydalanamiz (K.2-rasm,a). Bu qoidaga ko‘ra o‘tkazgich EYUKning yo‘nalishi biz tomondan ekaligini aniqlaymiz. Agar o‘tkazgich klemmalari tashqi rezistor R (iste’molchi)ga ulanib, berk kontur hosil qilsa, u holda EYUK ta’sirida o‘tkazgichda shu yo‘nalishda tok oqa boshlaydi. Shunday qilib, magnit maydonidagi o‘tkazgichni elementar generator deb qarash mumkin ekan.
Tok I ning magnit maydoni bilan o‘zaro ta’siri natijasida o‘tkazgichga ta’sir etayotgan elektromagnit kuch hosil bo‘ladi
F_EM = Blv . (K.2)
Bu FEM kuchning yo‘nalishini «chap qo‘l» qoidasi (K.2-rasm,b) yordamida aniqlash mumkin. Ko‘rilayotgan holatda bu kuch chapdan o‘ngga yo‘nalgandir, ya’ni o‘tkazgich xarakati fo‘nalishiga qarama-qarshidir. Shunday qilib, ko‘rilayotgan elementar generatorda FEM kuch xarakatlantiruvchi F kuchga nisbatan tormozlovchi bo‘ladi.