Электромеханическое преобразование энергии в электрической машине генераторе
§25. Процесс преобразования энергии в электрических машинах. Режимы их работы
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. На тепловозе, например, генератор приводят во вращение дизелем, на тепловой электростанции — паровой турбиной, на гидроэлектростанции — водяной турбиной. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии, или, как говорят, включить в электрическую сеть.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Поэтому часто говорят о генераторном и двигательном режимах работы электрических машин.
Во вращающихся электрических машинах в процессе преобразования энергии участвуют две основные части: якорь и индуктор со своими обмотками, которые перемещаются относительно друг друга. Индуктор создает в машине магнитное поле; в обмотке якоря индуцируется э. д. с. и возникает ток. При взаимодействии тока в обмотке якоря с магнитным полем создаются электромагнитные силы, посредством которых реализуется процесс преобразования энергии в машине.
Принцип действия электрического генератора. Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис. 67, а). В этом генераторе виток 1 представляет собой обмотку якоря. Индуктором служат постоянные магниты 2, между которыми вращается якорь 3. При вращении витка с некоторой частотой вращения п его стороны (проводники) пересекают магнитные силовые линии потока Фив каждом проводнике индуцируется э. д. с. е. При принятом на рис. 67, а направлении вращения якоря э. д. с. в проводнике, расположенном под южным полюсом, согласно правилу правой руки направлена от нас, а э.д.с. в проводнике, расположенном под северным полюсом,— к нам. Если подключить к обмотке якоря приемник электрической энергии 4, то по замкнутой цепи пойдет электрический ток i. В проводниках обмотки якоря ток I будет направлен так же, как и э. д. с. е.
Выясним, почему для вращения якоря в магнитном поле приходится затрачивать механическую энергию, получаемую от дизеля или турбины (первичного двигателя). Как было установлено в главе II, при прохождении тока I по расположенным в магнитном поле проводникам на каждый проводник действует электромагнитная сила F. При указанном на рис. 67, а направлении тока согласно правилу левой руки на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная влево, а на проводник, расположенный под северным полюсом,— сила F, направленная вправо. Указанные силы создают совместно электромагнитный момент М, направленный по часовой стрелке.
Из рассмотрения рис. 67, а видно, что электромагнитный момент М, возникающий при отдаче генератором электрической энергии, направлен в сторону, противоположную вращению проводников, поэтому он является тормозным моментом, стремящимся замедлить вращение якоря генератора. Для того чтобы предотвратить остановку якоря, требуется к валу якоря приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине. С учетом же трения и других внутренних потерь в машине внешний вращающий момент должен быть больше электро-
Рис. 67. Принципиальные схемы простейших генератора (а) и электродвигателя (б)
магнитного момента М, созданного током нагрузки генератора. Следовательно, для продолжения нормальной работы генератора к нему необходимо подводить извне механическую энергию — вращать его якорь каким-либо двигателем 5.
При отсутствии нагрузки (при разомнутой внешней цепи генератора) имеет место режим холостого хода генератора. В этом случае от дизеля или турбины требуется только такое количество механической энергии, которое необходимо для преодоления трения и компенсации других внутренних потерь энергии в генераторе. При увеличении нагрузки генератора, т. е. отдаваемой им электрической мощности Рэл, увеличиваются ток i, проходящий по проводникам обмотки якоря, и создаваемый им тормозящий момент М. Следовательно, должна быть соответственно увеличена и механическая мощность Рмх, которую генератор должен получить от дизеля или турбины, для продолжения нормальной работы.
Таким образом, чем больше электрической энергии потребляется, например, электродвигателями тепловоза от тепловозного генератора, тем больше механической энергии забирает он от вращающего его дизеля и тем больше топлива необходимо подавать дизелю.
Из рассмотренных выше условий работы электрического генератора следует, что характерным для него является:
совпадение по направлению тока i и э. д. с е в проводниках обмотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленного против вращения якоря; из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Принцип действия электрического двигателя. Принципиально электродвигатель выполнен так же, как генератор. Простейший электродвигатель представляет собой виток 1 (рис. 67,6), расположенный на якоре 3, который вращается в магнитном поле полюсов 2. Проводники витка образуют обмотку якоря. Если подключить виток к источнику электрической энергии, например к электрической сети 6, то по каждому его проводнику начнет проходить электрический ток i. Этот ток, взаимодействуя с магнитным полем полюсов, создает электромагнитные силы F. При указанном на рис. 67, б направлении тока на проводник, расположенный под южным полюсом, будет действовать сила F, направленная вправо, а на проводник, лежащий под северным полюсом,— сила F, направленная влево. В результате совместного действия этих сил создается электромагнитный вращающий момент М, направленный против часовой стрелки, приводящий якорь с проводником во вращение с некоторой частотой п. Если соединить вал якоря с каким-либо механизмом или устройством 7 (колесной парой тепловоза или электровоза, станком и пр.), то электродвигатель будет приводить это устройство во вращение, т. е. отдавать ему механическую энергию. При этом внешний момент Мвн, создаваемый этим устройством, будет направлен против электромагнитного момента М.
Выясним, почему при вращении якоря электродвигателя, работающего под нагрузкой, расходуется электрическая энергия. Как было установлено, при вращении проводников якоря в магнитном поле в каждом проводнике индуцируется э. д. с, направление которой определяется по правилу правой руки; следовательно, при указанном на рис. 67, б направлении вращение э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под южным полюсом, будет направлена от нас, а э. д. с. е, индуцированная в проводнике, расположенном под северным полюсом, будет направлена к нам. Из рис. 67, б видно, что э. д. с. е, индуцированные в каждом проводнике, направлены против тока i, т. е. они препятствуют его прохождению по проводникам.
Для того чтобы ток i продолжал проходить по проводникам якоря в прежнем направлении, т. е. чтобы электродвигатель продолжал нормально работать и развивать требуемый вращающий момент, необходимо приложить к этим проводникам внешнее напряжение U, направленное навстречу э. д. с. и большее по величине чем суммарная э. д. с. E, индуцированная во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря. Следовательно, необходимо подводить к электродвигателю из сети электрическую энергию.
При отсутствии нагрузки (внешнего тормозного момента, приложенного к валу двигателя) электродвигатель потребляет от внешнего источника (сети) небольшое количество электрической энергии и по нему проходит небольшой ток холостого хода. Эта энергия расходуется на покрытие внутренних потерь мощности в машине.
При возрастании нагрузки увеличивается потребляемый электродвигателем ток и развиваемый им электромагнитный вращающий момент. Следовательно, увеличение механической энергии, отдаваемой электродвигателем при возрастании нагрузки, вызывает автоматически увеличение электроэнергии, забираемой им от источника.
Из рассмотренных выше условий работы электрического двигателя следует, что характерным для него является:
совпадение по направлению электромагнитного момента М и частоты вращения п; это характеризует отдачу машиной механической энергии;
возникновение в проводниках обмотки якоря э. д. с. е, направленной против тока i и внешнего напряжения U. Из этого вытекает необходимость получения машиной извне электрической энергии.
Принцип обратимости электрических машин. Рассматривая принцип действия генератора и электродвигателя, мы установили, что устроены они одинаково и что в основе работы этих машин много общего. Процесс преобразования механической энергии в электрическую в генераторе и электрической энергии в механическую в двигателе связан с индуцированием э. д. с. во вращающихся в магнитном поле проводниках обмотки якоря и возникновением электромагнитных сил в результате взаимодействия магнитного поля и проводников с током. Отличие генератора от электродвигателя заключается только во взаимном направлении э. д. с, тока, электромагнитного момента и частоты вращения.
Рис. 68. Направление э. д. с. Е, тока I, частоты вращения якоря п и электромагнитного момента М при работе электрической машины постоянного тока в двигательном (а) и генераторном (б) режимах
Обобщая рассмотренные процессы работы генератора и электродвигателя, можно установить принцип обратимости электрических машин. Согласно этому принципу любая электрическая машина может работать и генератором и электродвигателем и переходить из генераторного режима в двигательный и наоборот.
Для выяснения этого положения рассмотрим работу электрической машины постоянного тока при различных условиях. Если внешнее напряжение U больше суммарной э. д. с. Г. во всех последовательно соединенных проводниках обмотки якоря, то ток I будет проходить в указанном на рис. 68, а направлении и машина будет работать электродвигателем, потребляя из сети электрическую энергию и отдавая механическую. Однако если по какой-либо причине э. д. с. Е станет больше внешнего напряжения U, то ток I в обмотке якоря изменит свое направление (рис. 68, б) и будет совпадать с э. д. с. Е. При этом изменится и направление электромагнитного момента М, который будет направлен против частоты вращения п. Совпадение по направлению э. д. с. E и тока Iозначает, что машина стала отдавать в сеть электрическую энергию, а появление тормозного электромагнитного момента М говорит о том, что она должна потреблять извне механическую энергию. Следовательно, когда э. д. с. Е, индуцированная в проводниках обмотки якоря, становится больше напряжения сети U, машина переходит из двигательного режима работы в генераторный, т. е. при E U — генератором.
Перевод электрической машины из двигательного режима в генераторный можно осуществить различными способами: уменьшая напряжение U источника, к которому подключена обмотка якоря, или увеличивая э. д. с. E в обмотке якоря.
Принципы электромеханического преобразования энергии.
Электромеханическое преобразование энергии в индуктивных электрических машинах основано на явлении электромагнитной индукции и связано с электродвижущими силами, которые индуктируются в процессе периодического изменения магнитного поля, происходящем при механическом перемещении обмоток или элементов магнитопровода.
При обобщении процессов преобразования энергии в преобразователях различных конструкций выделяют три фундаментальных принципа электромеханического преобразования энергии, свойственных всем типам индуктивных преобразователей.
Принцип первый. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным или большим 100 %.
Другими словами, этот принцип можно сформулировать короче: «вечного двигателя« не существует.
Процесс преобразования электрической энергии вмеханическую и ее обратное преобразование сопровождается обязательным выделением тепловой энергии. Полученная тепловая энергия, как правило, не используется и рассеивается в окружающей среде. Ее принято называть ПОТЕРЯМИ. У крупных машин тепловые потери составляют доли процента; у маломощных – иногда более половины потребляемой ими энергии теряется в виде тепла.
Все потери в электрических машинах делят на основные и добавочные потери. К основным потерям относят электрические, магнитные и механические потери.
Электрические потери (по месту возникновения их часто называют потери в меди), включают потери в обмотках и потери в щеточных контактах (если они есть). Потери в меди пропорциональны квадрату тока, а электрические потери в скользящем контакте зависят от сорта щеток и состояния контактных поверхностей и определяются как произведение падения напряжения на скользящем контакте ΔUщ на величину тока I, протекающего через контакт.
Магнитные потери возникают в основных участках магнитной системы ЭП (в зубцах, ярмах магнитопровода, полюсах машины), там, где замыкается переменный рабочий магнитный поток машины. Магнитные потери по месту возникновения частоназывают потерями в стали. По физической природе магнитные потери состоят из потерь на вихревые токи и потерь на гистерезис; зависят: от марки стали, толщины листов набора магнитопровода, индукции и частоты перемагничивания. Существенное влияние на магнитные потери оказывают технологические факторы (направление прокатки и штамповка листов, прессовка пакетов, механическая и термическая обработка магнитопровода). Для определения магнитных потерь пользуются приближенными формулами с эмпирическими коэффициентами, учитывающими приведенные выше факторы.
Механические потери включают потери на трение вращающихся частей машины о воздух, потери на трение в подшипниках и в скользящих контактах, а также потери в вентиляторе, затрачиваемые на создание потока хладагента. Приближенно можно считать, что механические потери пропорциональны квадрату частоты вращения ротора. Потери на трение зависят от плотности и вязкости среды, в которой вращается ротор машины. Например, при заполнении внутреннего пространства машины водородом вентиляционные потери уменьшаются примерно в 10 раз.
Второй принцип. Электромеханические преобразователи обратимы. Один и тот же электромеханический преобразователь может быть как источником механической и потребителем электрической энергии, так и наоборот, т.е. потоки электрической и механической энергии в преобразователе могут изменять свое направление. Однако поток тепловой энергии, возникающий за счет потерь при преобразовании, как правило, направление не меняет.
Третий принцип. Электромеханическое преобразование энергии осуществляется в воздушном зазоре магнитными полями, неподвижными относительно друг друга.
Магнитные поля ротора и статора, неподвижные относительно друг друга, создают в воздушном зазоре результирующее магнитное поле и движущий электромагнитный момент.
При взаимном перемещении относительно друг друга магнитные поля статора и ротора создают только поток тепловой энергии, косвенно влияя на распределение потоков механической и электрической энергии без их взаимного преобразования. Увеличение тепловых потерь в машине и снижение преобразованной мощности приводит к уменьшению ее КПД.
Дата добавления: 2018-06-01 ; просмотров: 1668 ; Мы поможем в написании вашей работы!
Процесс преобразования энергии в электрических машинах
ФИЛИАЛ «СВЕРДЛОВСКАЯ ЖЕЛЕЗНАЯ ДОРОГА»
Пермское подразделение Свердловского учебного центра – образовательное структурное подразделение Свердловской железной дороги.
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
ДЛЯ ПОДГОТОВКИ ОБУЧАЮЩИХСЯ ПО ПРОФЕССИИ
«ПОМОЩНИК МАШИНИСТА ТЕПЛОВОЗА»
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Электрические машины
Занятие 1-2
Автор: преподаватель Пневчук А.Г.
Рассмотрено на заседании цикловой комиссии УЦПК-3 и рекомендовано для доработки в формат конспекта и использования в качестве учебного пособия для учащихся в группах подготовки по профессиям «Помощник машиниста тепловоза».
Тема 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИНАХ
Процесс преобразования энергии в электрических машинах
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели.
В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. То есть для работы двигателя его необходимо включить в электрическую цепь. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо механизмом или двигателем.
Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле постоянного магнита, действует электромагнитная сила. Эта сила стремится вытолкнуть его за пределы поля, перемещая проводник перпендикулярно магнитным силовым линиям поля. Направление этой силы определяется правилом Левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии поля входили в нее, а четыре вытянутых пальца расположить по направлению тока, то расположенный под прямым углом большой палец укажет
направление электромагнитной силы F (рис.1, г).
 |
 |
 |
а) б) в) г)Рис.1 Проводник с током в магнитном поле постоянного магнита (а),
виток с током в магнитном поле постоянного магнита (в),
образование электромагнитной силы (б, в), правило Левой руки (г)
Примечание: электромагнитные силы образуются в результате взаимодействия магнитного поля проводника с внешним магнитным полем. С правой стороны магнитные силовые линии обеих полей направлены согласованно, а с левой стороны – направлены навстречу друг другу (рис.1а). Магнитное поле с правой стороны внешнего магнитного поля усиленное, а с левой стороны – наоборот ослабленное. Под действием усиленного магнитного поля проводник выталкивается в сторону ослабленного магнитного поля с силой F (рис.1б). Эта сила пропорциональна силе тока, индукции магнитного поля и длине проводника.
1.2 Принцип действия генератора
Простейшим электрическим генератором является виток, вращающийся в магнитном поле (рис.2).
При вращении витка с частотой вращения n, его стороны пересекают магнитные силовые линии потока Ф и в каждом проводнике витка индуктируется ЭДСе.
Если подключить к обмотке якоря приемник энергии (потребитель), то по замкнутой цепи пойдет токi.
При прохождении тока по проводникам на каждый проводник действует сила Fэм согласно правилу Левой руки.Эти силы создадут магнитный момент М (тормозной), противоположный вращению проводника n.
Для предотвращения остановки якоря требуется приложить внешний вращающий момент Мвн, противоположный моменту М и равный ему по величине.
Таким образом, при работе электрической машины в режиме генератора:
· совпадение направлению тока i и эдс е в проводниках обмотки якоря; это указывает на то, что машина отдает электрическую энергию;
· возникновение электромагнитного тормозного момента М, направленное против вращения якоря; из этого вытекает необходимость получения машиной извне механической энергии.
Рис.2 Принципиальная схема простейшего генератора
Преобразователи энергии в виде электрических машин
Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.
Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.
Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:
- Силовые преобразователи, которые генерируют механическую работу с использованием электрической энергии, называются электрическими двигателями. Электродвигатели — это электрические машины.
- Силовые преобразователи, которые используют электроэнергию постоянного тока и напряжения и преобразуют эту энергию в электрическую энергию переменного тока и напряжения, называются инверторами. Инверторы относятся к статическим преобразователям мощности и используют полупроводниковые силовые переключатели.
- Электрические генераторы преобразуют механическую работу в электрическую энергию. Они также принадлежат к электрическим машинам.
- Силовые трансформаторы преобразуют электрическую энергию из одной системы переменного напряжения в электрическую энергию другой системы переменного напряжения, при этом две системы переменного тока имеют одинаковую частоту.
Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.
Вращающиеся преобразователи мощности
Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.
Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.
Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.
Электрические машины состоят из токовых цепей, изготовленных из изолированных проводников и магнитопроводов, изготовленных из ферромагнитных материалов. Машины производят механическую работу за счет действия электромагнитных сил на проводники и ферромагнетики, соединенные магнитным полем. Проводники и ферромагнитные элементы принадлежат либо движущейся части машины (ротору), либо неподвижной части (статору). Вращение движущейся части машины способствует изменению магнитного поля. В свою очередь, в проводниках индуцируется электродвижущая сила, которая вырабатывает электрическую энергию. Аналогично, электрический ток в проводниках машины , называемых обмотками, взаимодействует с магнитным полем и создает силы, которые возбуждают движение ротора.
Статические преобразователи мощности
В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.
В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.
Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.
Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.
Роль электромеханического преобразования энергии
Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.
Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.
Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.
На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.
Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы
Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии
Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.
Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:
- Закон электромагнитной индукции Фарадея, который определяет взаимосвязь между изменяющимся магнитным потоком и индуцированной электродвижущей силой.
- Закон Ампера, который описывает магнитное поле проводников, несущих электрический ток
- Закон Лоренца, определяющий силу, действующую на движущиеся заряды в магнитном и электрическом полях
- Законы Кирхгофа, которые дают соотношения между напряжениями и токами в токовых цепях, а также между потоками и магнитодвижущими силами в магнитных цепях
Процесс электромеханического преобразования энергии
Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.
Три наиболее важных типа электрических машин:
- машины постоянного тока;
- асинхронные;
- синхронные.
Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.
Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.
Вращающиеся электрические машины
Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.
Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.
Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.
Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.
Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.
Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.
Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.
Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.
Реверсивные машины
Электрические машины в основном реверсивны.
Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.
Потери при преобразовании энергии
Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.
В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.
В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.
Электрические машины
В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:
- генераторы — источники электрической энергии;
- электродвигатели — источники механической энергии;
- специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
Области применения электрических машин
Современные электрические машины имеют самое разнообразное конструктивное исполнение и могут реализовывать различные роды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. Диапазон мощностей современных электрических машин составляет 10 -17 — 10 9 Вт. На рисунке 1 показаны области распространения и зоны использования емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электрических машин. Электрическая машина является весьма экономичным преобразователем энергии.
Рисунок 1 – Области распространения электрических машин
Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].
Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах
Закон Ампера
Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила
- где F – сила, Н,
- I – сила тока, А,
– длина проводника, м,- B — магнитная индукция, Тл,
— угол между направлением тока и вектором магнитной индукции, град.
Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Открытие электромагнитной индукции в 1831 году Фарадеем — одно из фундаментальных открытий в электродинамики. Максвеллу принадлежит следующая углубленная формулировка закона электромагнитной индукции:
Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]
,
- где E – напряженность электрического поля, В/м,
- ds – элемент контура, м,
- Ф — магнитный поток, Вб,
- t — время, с
Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции
,
- где
– электродвижущая сила индукции, В
Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.
Вращающиеся электрические машины
Вращающаяся электрическая машина — электротехническое устройство, предназначенное для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее, по крайней мере, две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга [2].
Вращающаяся машина постоянного тока, или машина постоянного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием только постоянного электрического тока.
Вращающаяся машина переменного тока — вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии в которой обусловлен потреблением или генерированием переменного электрического тока.
Виды вращающихся электрических машин
По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре
Одноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции во всех точках основного воздушного зазора имеет один и тот же знак.
Разноименнополюсная машина — вращающаяся электрическая машина, у которой нормальная составляющая магнитной индукции в различных участках основного воздушного зазора имеет разные знаки.
Явнополюсная машина — разноименнополюсная машина, в которой полюса выступают в сторону основного воздушного зазора.
Неявнополюсная машина — разноименнополюсная машина с равномерным основным воздушным зазором.
Электромеханическое преобразование энергии. Материалы, применяемые в электромашиностроение.
Электрические машины разделяют по назначению на два основных вида: электрические генераторы и электрические двигатели. Генераторы предназначены для выработки электрической энергии, а электродвигатели — для приведения в движение колесных пар локомотивов, вращения валов вентиляторов, компрессоров и т. п. В электрических машинах происходит процесс преобразования энергии. Генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую. Это означает, что для работы генератора надо вращать его вал каким-либо двигателем. Электрические двигатели, наоборот, преобразуют электрическую энергию в механическую. Поэтому для работы двигателя его надо соединить проводами с источником электрической энергии. Принцип действия любой электрической машины основан на использовании явлений электромагнитной индукции и возникновения электромагнитных сил при взаимодействии проводников с током и магнитного поля. Эти явления имеют место при работе как генератора, так и электродвигателя. Лабораторный стенд для изучения электромеханического преобразования энергии состоит из двух однотипных машин постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов. В процессе его эксплуатации произошло повреждение. Задачей была модернизация стенда. В результате выполнена разработка рабочей схемы и замена поврежденных элементов, что позволяет улучшить качество работы стенда для изучения электромеханического преобразования энергии.
Значение электроматериалов. Материалы, применяемые в электромашиностроительной промышленности, в значительной степени определяют технические показатели электрических машин. Использование высококачественной стали позволяет существенно уменьшить вес и габариты машин и увеличить их к. п. д. Свойства
изолирующих материалов и лаков ограничивают допустимые электромагнитные нагрузки. Толщина и нагревостойкость изоляционных материалов определяют степень использования электрических машин. Обычно изоляция занимает в среднем 30% общего объема паза, в котором заложены проводники обмотки. Уменьшение толщины изоляции позволяет увеличить объем проводников в пазу, а следовательно, увеличить мощность машины при сохранении ее габаритов. Повышенная нагревостойкость изоляционных материалов также позволяет увеличить нагрузку машины.
Технические показатели электрических машин и их надежность в значительной мере зависят не только от правильной конструкции и расчета, но и от правильного выбора магнитных и изолирующих материалов, их свойств и качеств, а также от материалов конструктивных элементов, обеспечивающих требуемую механическую проч ность.
Применяемые в электропромышленности материалы делятся на три группы: конструктивные, активные и электроизоляционные.
Конструктивные и активные материалы. Из конструктивных материалов изготовляются части машины, несущие механическую нагрузку. В электромашиностроении применяются в основном те же конструктивные материалы, что и в общем машиностроении. К ним относятся сталь, чугун, цветные металлы и пластмассы.
Активные материалы служат для проведения магнитного потока машины и электрического тока и делятся на токопроводящие и магнитопроводящие.
В качестве основного токопроводящего материала до последнего времени использовалась медь, которая сравнительно недорога, имеет малое электрическое сопротивление, хорошо сваривается и обладает хорошими антикоррозийными свойствами. Однако медь дефицитна, поэтому в последние годы в качестве проводникового материала начали применять более дешевый и широко распространенный алюминий. Его достоинствами являются низкий удельный вес, более высокая проводимость на единицу веса, легкость механической обработки и хорошие антикоррозийные свойства. Недостатком алюминия является повышенное удельное электрическое сопротивление и плохая свариваемость. Вследствие повышенного удельного электрического сопротивления машины с алюминиевыми обмотками имеют большие габариты. В электромашиностроении широко применяют различные медные сплавы, например латунь, фосфористую бронзу и т. д.
К токопроводящим элементам следует отнести также щетки, при помощи которых осуществляется съем тока с вращающихся обмоток через контактные кольца или коллектор. Щетки обычно изготовляются на основе графита, угля или меди. Основным магнитопроводящим материалом является листовая легированная электротехническая сталь, содержащая от 2 до 5%
кремния. Присадка кремния уменьшает потери на гистерезис. Вследствие увеличения удельного электрического сопротивления стали уменьшаются потери на вихревые токи. Сталь становится устойчивой к окислению и старению, но делается более хрупкой. В последние годы широко используется холоднокатаная текстуро-ванная сталь с более высокими магнитными свойствами в направлении проката. Сердечник магнитопровода выполняется в виде пакета, собранного из листов штампованной стали. Толщина стального листа от 0,5 до 0,15 мм.
Для проведения постоянного магнитного потока широко используется стальное литье и чугун.
Электроизоляционные материалы. Электроизоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих частей машины. Изоляция обмоточных проводников машины в значительной мере определяет ее технико-экономические показатели и эксплуатационные качества. От толщины изоляции существенно зависят габариты и вес машины. Применяемые изоляционные материалы должны иметь высокую электрическую прочность, быть на-грево-, влаго- и химически стойкими. Изоляция должна также обладать высокими удельными сопротивлениями и малыми диэлектри- . ческими потерями. От твердых материалов требуется достаточная механическая прочность.
По условию нагревостойкости твердые электроизоляционные материалы делятся на семь классов. Наибольшее распространение до последнего времени имели материалы класса А, к которому относятся пропитанные бумага, картон, дерево, хлопчатобумажные и шелковые ткани и ленты. Материалы пропитываются с целью улучшения электрической прочности и теплопроводности, а также для уменьшения гигроскопичности. Пропитывающими веществами могут служить трансформаторное масло, масляные лаки и битумные составы. Допустимая температура нагрева для материалов этого класса составляет 105° С. При отсутствии пропитки эти изоляционные материалы принадлежат к классу У, их допустимая температура нагрева 90° С.
В последнее время начинают широко применять синтетические изоляционные материалы, которые имеют малую толщину и высокие электрические и механические показатели. Синтетические органические пленки типа лавсан, пластмассы с органическим наполнителем и слоистые пластики принадлежат к электроизоляционным материалам класса Е, допустимая температура нагрева которых 120° С.
К материалам класса В принадлежат изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, содержащие для их связывания и пропитки органические лаки и смолы повышенной нагревостойкости, а также изделия из пластмассы с неорганическим наполнителем. К этому классу относятся такие высококачественные материалы, как микалента и микафолий, изготовляемые из пластинок слюды,
склеенных между собой и наклеенных на бумагу. Они хорошо удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к изоляционным материалам, но относительно дороги. Предельно допустимая температура нагрева для материалов класса В 130° С.
В последнее время получает широкое распространение синтетическая изоляция типа термопластик, изготовленная на слюдяной основе с применением термоактивного полиэфиро-стирольного компаунда. Электроизоляционные и механические свойства термопластика выше, чем микаленты, но он имеет более сложную технологию изготовления. Изделия из слюды, асбеста и стеклянного волокна, на основе синтетических пропитывающих составов, принадлежат к электроизоляционным материалам класса F, их допустимая температура нагрева 155° С. Те же материалы, применяемые в сочетании с кремнийорганическими связывающими и пропитывающими веществами, принадлежат к классу Н, допустимая температура нагрева которого 180° С. Кремнийорганическая изоляция является особенно перспективной, хотя она в настоящее время относительно дорога.
К материалам класса С относятся изделия из слюды, стекла, стекловолокна, фарфора и других неорганических материалов без примеси органических связывающих веществ. Допустимая температура для материалов этого класса не ограничивается.
