Преобразователи энергии

Электрические машины – электромеханические

Изучение электрических машин основано на знаниях физиче­ской сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе теоретических основ электротехники. Однако прежде чем приступить к изучению курса «Электрические машины», напом­ним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую оче­редь закона электромагнитной индукции.

Рис. 1. К понятиям об «элементарном генерато­ре» (а) и «элементарном двигателе» (б)

В процессе работы электрической машины в режиме генера­тора происходит преобразование механической энергии в элек­трическую. Природа этого процесса объясняется законом элек­тромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. 1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индук­ции В магнитного поля со скоростью и, то в проводнике будет на­водиться электродвижущая сила (ЭДС)

, (1)

где В – магнитная индукция, Тл; l – активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; υ – ско­рость движения проводника, м/с.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. 2, а). Применив это правило, оп­ределим направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R (потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направле­ния. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматри­вать в этом случае как элементар­ный генератор.

Рис. 2. Правила «правой руки» и «левой руки»

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возника­ет действующая на проводник элек­тромагнитная сила

. (2)

Направление силы F_ЭМ можно определить по правилу «левой руки» (рис. 2, б).В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т. е. противоположно движению проводника. Та­ким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F_ЭМ является тормозящей по отношению к движущей силе F.

При равномерном движении проводника F = F_ЭM. Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

.

Подставим в это выражение значение F_ЭМ из (2):

. (3)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнит­ном поле; правая часть – значение электрической мощности, раз­виваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равен­ства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой, преобра­зуется в электрическую.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от ис­точника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. 1, б, то на проводник будет действовать только электромагнитная сила F_ЭМ. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в маг­нитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направ­лением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

, (4)

где r – электрическое сопротивление проводника.

Умножим обе части равенства на ток I:

.

Подставляя вместо Е значение ЭДС из (1), получим

,

или, согласно (2),

. (B.5)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механиче­скую (F_ЭМυ), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r). Следовательно, проводник с током, по­мещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен­тарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод: а) для любой электрической машины обязательно наличие электропро­водящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих воз­можность взаимного перемещения; б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя од­новременно наблюдаются индуцирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, дейст­вующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при про­текании по нему электрического тока; в) взаимное преобразова­ние механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигате­ля, так и в режиме генератора; это свойство электрических ма­шин называют обратимостью. Принцип обратимости электри­ческих машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

Рассмотренные «элементарные» электрические генератор и двигатель отражают лишь принцип использования в них основ­ных законов и явлений электрического тока. Что же касается конструктивного исполнения, то большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их под­вижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. 3) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ро­тором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабже­на элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (на­пример, электромагнит или постоянный магнит), а другая – имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так и подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнит­но-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным со­противлением.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) в проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется элек­трический ток.

Рис. З. Обобщенная конструктивная схема электрической машины

При этом меха­ническая энергия приводного двигателя преобразуется в элек­трическую. Если машина пред­назначена для работы в качестве электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключается к сети. При этом ток, возникший в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электро­магнитные силы, приводящие ротор во вращение. При этом электрическая энергия, потребляе­мая двигателем из сети, преобразуется в механическую энергию, затрачиваемую на вращение какого-либо механизма, станка и т. п.

Возможны также конструкции электрических машин, у кото­рых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбу­ждающие магнитное поле, – на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк – от долей ватт до сотен тысяч киловатт.