ebook Elektrodynamika techniczna Janusz Turowski

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2014

Elektrodynamika techniczna jest nauką o technicznych zastosowaniach elektrodynamiki klasycznej, kompleksowo uwzględniającą właściwości fizyczne materiałów, ich nieliniowość, nagrzewanie, złożoną budowę, wpływ sił elektrodynamicznych, ruchu ciał itp.

W książce podano zastosowania teorii pól fizycznych i metod elektrodynamiki, elektromechaniki, elektrotermii, fizyki technicznej oraz materiałoznawstwa do projektowania i obliczeń części konstrukcyjnych transformatorów, maszyn i aparatów elektrycznych oraz innych urządzeń energetycznych. Szczególną uwagę poświęcono roli i właściwościom fizycznym materiałów, nagrzewaniu i niezawodności obiektów.

Przedstawiono typowe metody i uproszczenia ułatwiające obliczenia inżynierskie, zarówno analityczne, jak i komputerowe. Uwzględniono najnowsze odkrycia w zakresie materiałów magnetycznych i nadprzewodzących oraz obecnie stosowane metody komputerowe. Książka zawiera opis niespotykanych gdzie indziej metod i programów. Oparta jest na doświadczeniu dydaktycznym i przemysłowym autora przy rozwiązywaniu problemów naukowo-badawczych.

Książka jest przeznaczona zarówno dla studentów wydziałów elektrycznych specjalności konstrukcyjnych, energetycznych, mechatroniki i informatyki stosowanej, jak i – ze względu na swój częściowo poradnikowy charakter – dla inżynierów zajmujących się rozwiązaniami zadań przemysłowych z zastosowaniem teorii pola elektromagnetycznego w technice.

Spis treści ebooka Elektrodynamika techniczna

Wykaz oznaczeń 9
Przedmowa 13

1. Metody badań i materiały konstrukcyjne 21

1.1. Metody badań 21
1.2. Materiały konstrukcyjne 25
1.2.1. Struktura i właściwości fizyczne metali 25
1.2.2. Nadprzewodnictwo 44
1.2.3. Właściwości magnetyczne ciał (ferromagnetyzm) 51
1.2.4. Półprzewodniki i dielektryki 91

2. Podstawowe równania pola elektromagnetycznego 96

2.1. Wyjściowe prawa i równania elektrodynamiki 96
2.2. Formułowanie i rozwiązywanie równań różniczkowych pola 103
2.3. Środowiska anizotropowe 118
2.4. Środowiska nieliniowe 122
2.5. Podstawowe równania magnetohydrodynamiki i magnetogazodynamiki 125
2.6. Elektrodynamika nadprzewodników 130
2.7. Elektrodynamika środowisk niejednorodnych 133
2.8. Elektrodynamika urządzeń półprzewodnikowych 133
2.9. Elektrodynamika układów elektrochemicznych 134
2.10. Ogólne równanie falowe 135
2.11. Metoda Fouriera 137
2.12. Równanie falowe we współrzędnych cylindrycznych 139
2.13. Fala elektromagnetyczna płaska 141
2.14. Odbicie i załamanie fali płaskiej 155

3. Przenoszenie i przetwarzanie mocy pola 162

3.1. Twierdzenie Poyntinga. Wektor Poyntinga 162
3.2. Wnikanie energii elektromagnetycznej do masywnej półprzestrzeni przewodzącej 165
3.3. Strumień mocy przy przejściu przewodów przez ścianę stalową 168
3.4. Strumień mocy w kablu współosiowym i szynie ekranowanej 171
3.5. Strumień mocy pola w kondensatorze, cewce i transformatorze 173
3.6. Strumienie mocy pola i ich przetwarzanie w maszynach wirujących 175
3.6.1. Strumień mocy pola elektromagnetycznego w szczelinie maszyny indukcyjnej 175
3.6.2. Strumienie mocy w maszynie synchronicznej 177

4. Ekranowanie części konstrukcyjnych 181

4.1. Rodzaje i zadania ekranów 181
4.2. Ekrany i boczniki magnetyczne 184
4.2.1. Ekran kulisty i poprzeczny cylindryczny 184
4.2.2. Podłużne ekrany magnetyczne 187
4.3. Ekrany elektromagnetyczne. Falowa metoda obliczeń 194
4.3.1. Przydatność praktyczna falowej metody obliczeń pola 194
4.3.2. Ekran przenikalny przy jednostronnym padaniu fali 194
4.3.3. Ekran przenikalny przy dwustronnym padaniu fali 201
4.4. Straty mocy w ekranach 204
4.4.1. Wektor Poyntinga i straty mocy w ekranie jednostronnym 204
4.4.2. Wektor Poyntinga i straty mocy przy obustronnym symetrycznym padaniu fali 208
4.5. Ekranowanie kadzi transformatorów 213
4.5.1. Ekranowanie magnetyczne (bocznikowanie) kadzi 214
4.5.2. Ekranowanie elektromagnetyczne kadzi 218
4.5.3. Trójwymiarowa analiza komputerowa i projektowanie interaktywne ekranów 222
4.6. Silniki indukcyjne z ekranowanym i wielowarstwowym wirnikiem 227
4.6.1. Charakterystyka ogólna 227
4.6.2. Równanie podstawowe silników indukcyjnych wielowarstwowych 228
4.7. Ekranowanie w dużych generatorach 233
4.7.1. Ekranowanie magnetyczne i kształtowanie pola 233
4.7.2. Ekranowanie elektromagnetyczne w generatorach 235
4.8. Ekranowanie przy nagrzewaniu indukcyjnym 236
4.9. Ekranowanie szyn i przewodów 237
4.9.1. Ekran cylindryczny przewodu pojedynczego 237
4.9.2. Ekran cylindryczny w poprzecznym polu równomiernym 246
4.9.3. Ekrany szyn układów blokowych w elektrowniach 248
4.10. Pole elektromagnetyczne w ekranach wielowarstwowych 254
4.10.1. Przewodnik dwuwarstwowy 254
4.10.2. Wpływ izolacji pod ekranem 256

5. Pole magnetyczne przy powierzchniach żelaznych 258

5.1. Metoda odbić zwierciadlanych 258
5.1.1. Pojedyncze odbicia prądu stałego 258
5.1.2. Zastosowanie teorii pola stałego do pól przemiennych 261
5.1.3. Odbicia magnetyczne w cylindrze żelaznym 265
5.1.4. Wielokrotne odbicia zwierciadlane 267
5.1.5. Odbicia magnesów i obwodów z prądem stałym 270
5.2. Pole połączeń czołowych maszyn elektrycznych 273
5.3. Pole przepustów 276
5.4. Pole szyn w pobliżu powierzchni stalowej 278
5.5. Pole rozproszenia w transformatorach i żłobkach maszyn elektrycznych 281
5.5.1. Zastosowanie metody wielokrotnych odbić zwierciadlanych 281
5.5.2. Metody rozwiązywania pola w oknie transformatora za pomocą szeregów Fouriera 282
5.5.3. Metody numeryczne, rozwiązywanie pola magnetycznego rozproszenia. 285
5.5.4. Żłobek maszyny indukcyjnej głębokożłobkowej 287
5.5.5. Pole w szczelinie maszyny elektrycznej 292
5.6. Pole pary przewodów przy ścianie stalowej 296

6. Zjawiska elektromagnetyczne w metalach o stałej przenikalności 301

6.1. Zastosowanie metody wielokrotnych odbić fali 301
6.2. Blacha elektrotechniczna 301
6.3. Straty mocy przy przejściu przewodu przez ścianę stalową 309
6.4. Straty mocy w pokrywach stalowych ze wstawkami niemagnetycznymi 313
6.5. Indukowane przebiegi nieustalone 316
6.6. Wirnik masywny silnika indukcyjnego 319
6.7. Wirnik kubkowy 325
6.8. Zasady nagrzewania indukcyjnego 327
6.9. Tory wielkoprądowe 330

7. Zjawiska elektrodynamiczne w ciałach ferromagnetycznych 340

7.1. Aproksymacja charakterystyk magnesowania 340
7.2. Metody uwzględniania zmiennej przenikalności magnetycznej μ= (H) 346
7.2.1. Metoda Rosenberga (1923) dla przewodów żelaznych 347
7.2.2. Metoda fal prostokątnych 348
7.2.3. Metoda Nejmana (1950) 349
7.2.4. Przenikalność zastępcza 353
7.2.5. Metody komputerowe 354
7.3. Zależność strat rozproszeniowych w masywnych częściach stalowych transformatora od prądu i temperatury 357
7.4. Straty mocy w stalowych pokrywach transformatorów 360
7.5. Obliczanie strat rozproszeniowych w masywnych ścianach stalowych metodą szeregów Fouriera 363
7.5.1. Metoda ogólna 363
7.5.2. Wzory analityczne w przypadku sinusoidalnego rozkładu pola na powierzchni stali 367
7.5.3. Komputerowe obliczanie strat mocy w płycie stalowej umieszczonej w polu szyn równoległych 370
7.6. Straty mocy w kadzi transformatora 375
7.6.1. Dwuwymiarowe rozwiązanie numeryczne 375
7.6.2. Trójwymiarowe obliczanie analityczno-numeryczne pola rozproszenia i strat mocy w kadzi o stałej przenikalności 376
7.6.3. Komputerowe, trójwymiarowe, analityczno-numeryczne (MAN-3D) obliczanie rozproszeniowych strat mocy w kadzi transformatora 382
7.6.4. Trójwymiarowe obliczanie numeryczne pól rozproszenia w transformatorów trójfazowych 388
7.6.5. Wdrożenie i weryfikacja programów klasy MSR-3D w przemyśle 394

8. Siły w układach elektrodynamicznych 402

8.1. Zasady obliczania sił działających na szyny i uzwojenia transformatorów 402
8.2. Siły działające na szyny umieszczone w pobliżu stalowych elementów konstrukcji 410
8.3. Siły działające na powierzchnię przewodników 410
8.4. Siły w części żłobkowej uzwojeń maszyn elektrycznych 411
8.5. Siły i momenty reluktancyjne 417

9. Lokalne nagrzewanie się części konstrukcyjnych 420

9.1. Elektromagnetyczne kryteria lokalnych przegrzań 420
9.2. Metody zapobiegania miejscowym przegrzaniom konstrukcji 429
9.3. Nagrzewanie się pokryw transformatorów 433
9.4. Dopuszczalny prąd w przepustach 433
9.5. Straty mocy od prądów wirowych i lokalne przegrzania w kominkach transformatorów 435
9.6. Obliczenia komputerowe kominków i boczników 435
9.6.1. Kominki jednofazowe 436
9.6.2. Model symulacyjny MSR-3D kominków trójfazowych 439
9.6.3. Obliczanie reluktancji dla sieci MSR-3D 440

10. Metody badań eksperymentalnych 443

10.1. Weryfikacja eksperymentalna obliczeń teoretycznych 443
10.2. Zasady teorii elektrodynamicznego podobieństwa 447
10.3. Zasady modelowania indukcyjnych urządzeń grzejnych 452
10.4. Modelowanie torów wielkoprądowych 454
10.5. Modelowanie transformatorów i ich części 455
10.6. Metoda termometryczna pomiaru strat jednostkowych 458
10.7. Badania dopuszczalnych przewzbudzeń transformatorów 468
10.8. Pomiary mocy przy niskich współczynnikach mocy 470
10.9. Inne metody pomiaru 476
10.10. Diagnostyka elementów metalowych 482
10.11. Krytyczna odległość kadzi od uzwojeń w transformatorze 483
10.12. Wpływ kolektorów strumienia rozproszenia 490

Wnioski 493
Dodatki 495
Literatura 502
Skorowidz 518