Первый закон электромеханики

Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100%.

Окружающий нас мир состоит из преобразователей энергии, которые можно разделить на простые и сложные.

В простых преобразователях энергия одного вида полностью преобразуется в энергию другого вида. Примером такого преобразователя может служить электрическая печь, где электрическая энергия полностью преобразуется в тепло.

В сложных преобразователях (а их большинство) энергия одного вида преобразуется в энергию двух (реже трех или нескольких) видов. К сложным преобразователям относятся преобразователи световой энергии в электрическую, химической энергии – в механическую, ядерной энергии – в электрическую и др. В сложных преобразователях обычно происходит сопутствующее преобразование энергии в тепло.

Говоря о КПД, следует отметить, что вкладывается в понятие полезного действия. Инженеры, занимающиеся электропечами, вводят понятие КПД печи, считая, что только часть тепла расходуется на технологический процесс. Поэтому КПД электропечи в этом смысле не равен 100%. В электрических машинах энергия, преобразующаяся в тепло, относится к потерям, и КПД есть отношение электрической мощности, отдаваемой в сеть, к механической (режим генератора) или отношение полезной механической – к электрической мощности, забираемой из сети (режим двигателя).

Электромеханические преобразователи энергии относятся к сложным преобразователям, так как электромеханическое преобразование энергии в них всегда сопровождается преобразованием электрической Р_эл или механической энергии Р_мех в тепловую Р_Т (рис. 1.1).

В самом общем виде ЭП (или электрическую машину) можно представлять как шестиполюсник с внутренним сопротивлением z_ЭП и двумя электрическими, двумя механическими и двумя тепловыми выводами.

Рис. 1.1. Направление потоков энергии в электрической машины

При создании ЭП стремятся уменьшить потери – потоки тепловой энергии, что приводит к уменьшению габаритов и удешевлению электромеханических преобразователей. Созданы электрические машины с КПД, равным 99%, а в трансформаторах достигнут КПД, равный 99,8%. Такие высокие КПД являются исключительным техническим достижением. Следует иметь в виду, что высокие КПД имеют электрические машины большой мощности. В ЭП небольшой мощности КПД может составлять всего несколько десятков процентов, т.е. большая часть механической или электрической энергии в таких машинах преобразуется в тепло.

Для электрических машин, в которых осуществляется электромеханическое преобразование энергии, предложено математическое описание, адекватно отражающее процессы, происходящие в машине. Математические модели – уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, – весьма разнообразны. Наиболее общее математическое описание процессов преобразования энергии в электрических машинах дают дифференциальные уравнения, которые справедливы для переходных и установившихся процессов. При исследовании электрических машин, как и при исследовании других физических объектов, целесообразно работать с математической моделью и реальной машиной.

Уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, не имеют решения, если активные сопротивления, входящие в эти уравнения в виде коэффициентов перед переменными, равны нулю. Если математическая модель не дает решения, то и реальная машина не должна преобразовывать электрическую энергию в механическую и обратно.

Нельзя создать электрическую машину, в которой вся энергия преобразовывалась бы из электрической в механическую или, наоборот, из механической в электрическую, а преобразование энергии в тепло отсутствовало бы. Чтобы не было в электрической машине преобразования энергии в тепло, машина должна быть выполнена без стали, со сверхпроводящими обмотками и без механических потерь. Такое электротехническое устройство построить можно. Однако оно будет не электромеханическим преобразователем, а накопителем энергии.

Накопители по своей конструкции близки к электрическим машинам. Накопители энергии могут быть выполнены как статические устройства и как вращающиеся машины. Примером может служить гироскоп со сверхпроводящими обмотками. Это электрическая машина, которая могла бы вращаться бесконечно долго, так как в ней практически нет потерь. Но если к ее валу приложить момент сопротивления, она остановится. Нормальным состоянием ЭП является вращение, и гироскоп со сверхпроводящими обмотками может вращаться вечно, не создавая электромагнитного момента.

Электромеханика – это наука о замкнутых контурах. Электромеханический преобразователь можно представлять как шестиполюсник (рис. 1.2, а) с двумя электрическими выводами, характеризуемыми напряжением U и частотой f, с двумя механическими выводами, определяемыми моментом М и механической частотой вращения n, а также тепловым контуром, характеризуемым количеством тепла Q и температурой t.

а) б)

Рис. 1.2. Представление электрической машины в виде шестиполюсника (а) и четырехполюсника (б)

При анализе процессов преобразования энергии в электрической машине считают внешние сопротивления электрической, механической и тепловой цепей равными нулю. При этом электрическая сеть считается сетью бесконечной мощности, и поэтому изменение режима работы электрической машины не влияет на изменение напряжения и частоты. Нагрев машины не влияет на температуру окружающей среды. Механическая нагрузка на валу обычно считается постоянной.

При исследовании электрических машин нельзя забывать об электрической сети, в которой могут изменяться внутреннее сопротивление, а также частота и напряжение. Машина может работать в ограниченном пространстве, и температура среды, окружающей машину, может изменяться. Изменение инерционных масс на валу машины и момента нагрузки также влияет на работу машины.

В большинстве исследований тепловой контур рассматривается как имеющий бесконечный объем с неизменной температурой. Поэтому электромеханический преобразователь можно представить как четырехполюсник с внутренним сопротивлением z_ЭП (рис. 1.2, б), с двумя электрически­ми выводами напряжением U и электрической частотой f, а также двумя механическими выводами – моментом на валу М и частотой вращения n.

При работе электрической машины в ней выделяется тепловая энергия. Однако можно создать электрическую машину, в которой за счет эффекта Пельтье внутри машины на холодных спаях поглощается тепло и которая не нагревается и даже может охлаждаться. При этом на горячих спаях, расположенных вне машины, выделяется тепловая энергия. К сожалению, существующие спаи проводниковых материалов обеспечивают охлаждение при низких плотностях токов, что приводит к значительному увеличению габаритов машины и снижению энергетических показателей. Этот пример свидетельствует о том, что тепловые контуры, так же как механические и электрические, в электрической машине надо рассматривать как замкнутые.