Краткая история развития и основная классификация электрических машин. Основные законы электромеханики

Электрические машины классифицируют по ряду призна­ков. Различают статические машины, не имеющие движущих­ся частей, и электромеханические преобразователи энер­гии, преобразующие электрическую энергию в механическую и наоборот. К первым относят различного рода трансформа­торы, ко вторым — электрические генераторы и электри­ческие двигатели.

По виду реализуемого машиной движения электродвига­тели делятся на вращающиеся и линейные. Первые обеспечи­вают вращательное движение вторичного элемента машины, вторые — его поступательное движение.

По мощности различают машины большой (более несколь­ких сотен киловатт), средней (от 10 до нескольких сотен киловатт), малой (от 0,5 до 10 кВт) мощности и микромашины (от 0,5 до долей ватт).

По частоте вращения машины делят на: тихоходные — с частотой вращения до 300 мин^-1, средней быстроходности — от 300 до 1500 мин^-1, быстроходные — от 1500 до 6000 мин^-1, сверхбыстроходные — более 6000 мин^-1.

По роду тока различают машины переменного и посто­янного тока.

К машинам переменного тока относятся трансформаторы, синхронные и асинхронные машины, коллекторные машины переменного тока.

Трансформаторы применяют для преобразования на­пряжения: в электрических сетях и системах при передаче и распределении электрической энергии (силовые трансфор­маторы), в различных выпрямительных установках, а также при электрических измерениях (измерительные трансформаторы).

Синхронные машины применяют в качестве генера­торов переменного тока на тепловых, атомных и гидравличе­ских электрических станциях и генераторов в автономных ис­точниках питания. В электрических приводах большой мощно­сти применяют синхронные электродвигатели.

В устройствах автоматики применяют синхронные машины малой мощности: реактивные, с постоянными магнитами, гистерезисные, шаговые и др.

Асинхронные машины наиболее широко использу­ют в качестве электродвигателей трехфазного тока. Простота устройства и высокая надежность асинхронных двигателей позволяют применять их для привода станков, грузоподъемных машин, компрессоров, вентиляторов и пр. В системах автомати­ческого регулирования используют одно- и двухфазные управ­ляемые асинхронные двигатели, асинхронные тахогенераторы.

Коллекторные машины переменного тока в насто­ящее время используют сравнительно редко и главным обра­зом в качестве электродвигателей. Они имеют сложную конст­рукцию и требуют тщательного ухода. В устройствах автома­тики, а также в различного рода электробытовых приборах применяют универсальные коллекторные двигатели, рабо­тающие как на постоянном, так и на переменном токе.

Машины постоянного тока: генераторы и двигатели — классифицируют в зависимости от способов возбуждения ма­шин. Электродвигатели постоянного тока применяют в устройствах электропривода, требующих регулирования частоты вращения в широких пределах: сложные металлообрабатывающие станки, прокатные станы, железнодорожный и мор­ской транспорт, электропривод большегрузных автомобилей, грузоподъемные машины и т. д., а также в тех случаях, когда источниками электрической энергии для питания электродвигателей служат аккумуляторные батареи (стартерные двигате­ли, двигатели подводных лодок, космических кораблей и т. д.).

Генераторы постоянного тока применяют для питания устройств связи, зарядки аккумуляторных батарей, в качестве основных источников питания на транспортных установках (автомобилях, самолетах, тепловозах, пассажирских вагонах). В последнее время генераторы постоянного тока используют­ся наряду с генераторами переменного тока, работающими совместно с полупроводниковыми выпрямителями.

В системах автоматического регулирования машины по­стоянного тока широко используют в качестве электромашинных усилителей, исполнительных двигателей и тахогенераторов.

По назначению электрические машины делят на генера­торы, двигатели, электромашинные преобразователи, элект­ромашинные усилители.

Электрические генераторы переменного и постоянного тока служат для преобразования механической энергии вра­щательного движения в электрическую энергию. В качестве источников механической энергии служат гидравлические, паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания, ветродвигатели и т. д. Более 98% всей получаемой человеком на Земле электроэнергии вырабатывают на тепловых, гидрав­лических и атомных электростанциях синхронные генераторы. Генераторы используют также в качестве источников питания в установках связи, устройствах автоматики, измерительной тех­ники и пр.

Электрические двигатели служат для преобразования электрической энергии в механическую энергию вращательного или поступательного движения. В первом случае говорят о вращающихся электродвигателях, во втором — о линейных электродвигателях. Электродвигатели приводят в движение различные машины, механизмы и устройства, применяемые в промышленности, сельском хозяйстве, связи, на транспорте и в быту. В системах автоматического управления их используют в качестве исполнительных и регулирующих органов.

Электромашинные преобразователи служат для преобразования переменного тока в постоянный и наоборот, из­меняют величину напряжения переменного и постоянного тока, частоту, число фаз и др.

Их используют в промышленности, на транспорте, хотя роль электромашинных преобразователей существенно уменьшилась за счет применения статических полупроводниковых пре­образователей. Однако в военном деле преобразователи и электромашинные усилители в силу радиационной устойчи­вости применяются по-прежнему широко.

Мощные электромашинные компенсаторы — синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода, осуществляют генерирование реактивной мощности в энергосистемах для обеспечения заданного режима работы электрических сетей. Электромашинные усилители служат для управления относительно большими мощностями при помощи сигналов небольшой мощности. В настоящее время они используются главным образом в спецтехнике, поскольку обладают неизме­римо большей радиационной устойчивостью, чем полупровод­никовые усилители.

Микромашины делятся на силовые и информационные. К силовым относятся силовые электродвигатели, приводя­щие во вращение механизмы автоматических устройств и ис­полнительные двигатели, обеспечивающие отработку опреде­ленной команды.

К информационным микромашинам относятся: тахогенераторы, обеспечивающие пропорциональное преобразование частоты вращения устройства в электрическое напряже­ние, поворотные трансформаторы, машины синхронной связи и микромашины гироскопических приборов.

Общепринята следующая классификация электрических машин:

1. По роду тока различают машины переменного и постоянного тока, а также универсальные машины.

2. По виду электромеханического преобразования различают электродвигатели, электрические генераторы и синхронные компенсаторы.

3. По виду движения: вращающиеся электрические машины и линейные электрические машины (двигатели).

4. По конструктивному исполнению различают машины единых серий общего назначения и специальные машины. Машины общего назначения применяются в различных отраслях народного хозяйства в обычных условиях окружающей среды, специальные машины используются в определенных специфических условиях, например, в шахтах (машины взрывозащищенного исполнения), на электрифицированном транспорте (тяговые двигатели), в метал­лургической промышленности (крановометаллургические двигатели).

5. По величине мощности машины делят на три группы [1]: электрические машины большой мощности; электрические машины средней мощности; электрические машины малой мощности.

5.1. Группа электрических машин большой мощности: асинхронные двигатели мощностью более 400кВт напряжением на зажимах статора свыше 1000 В; синхронные генераторы мощностью более 100 кВт; синхронные двигатели мощностью более 200 кВт; коллекторные машины мощностью более 200 кВт; электромашинные преобразователи мощностью свыше 100 кВт.

5.2. Группа машин средней мощности: асинхронные двигатели мощностью 1...200 кВт; асинхронные машины мощностью 1...400 кВт напряжением до 1000 В, в том числе двигатели единых серий, мощностью от 0,25 кВт;

5.3. Cинхронные генераторы мощностью до 100 кВт; в том числе высокоскоростные мощностью до 200 кВт; коллекторные машины мощностью 1...200 кВт; преобразователи и агрегаты мощностью до 100 кВт.

5.4. Группу машин малой мощности составляют машины, не входящие в первые две группы: асинхронные двигатели; синхронные двигатели;

двигатели постоянного тока коллекторные и универ­сальные;

двигатели постоянного тока бесколлекторные; шаговые двигатели;

тахогенераторы постоянного и переменного тока; сельсины;

вращающиеся трансформаторы; фазовращатели;

электровентиляторы; электромагнитные муфты.

Мощность электрических машин этой группы — не более 0,25 кВт (ранее этот предел составлял 0,6 кВт).

6. По частоте вращения различают быстроходные машины (3000 и более об/мин) и тихоходные (менее 3000 об/мин). Синхронные генераторы по признаку быстроходности и по виду первичного двигателя делят на две группы: турбогенераторы — быстроходные электрические машины; гидрогенераторы — тихоходные электрические машины. Компенсаторы синхронные занимают особое положение, поскольку они не являются электромеханическим преобразо­вателями в точном смысле слова. Это синхронные машины, подключенные, к сети обычно высокого напряжения, враща­ющиеся вхолостую и предназначенные для регулирования в сети реактивной мощности.