Второй закон электромеханики

Все электрические машины обратимы, т.е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

Работа электрической машины в двух режимах является важнейшим преимуществом электромеханических преобразователей перед другими преобразователями энергии (паровыми турбинами, дизелями, реактивными двигателями и т.п.). Одна и та же машина может работать и в двигательном, и генераторном режиме. Например, двигатель электровоза при ускорении состава забирает энергию из сети и работает в двигательном режиме, а при торможении – отдает электрическую энергию в сеть, работая в генераторном режиме.

В индуктивных электрических машинах обмотки статора и ротора связаны магнитным полем. Чтобы осуществлялась связь вращающихся обмоток с неподвижными с помощью переменных или постоянных токов, в воздушном зазоре машины создается вращающееся магнитное поле. Чтобы получить вращающееся поле при наличии постоянного тока, необходимо вращать обмотку, в которой протекает постоянный ток. При определенном расположении обмоток в пространстве и при определенном сдвиге токов во времени относительно друг друга при неподвижных обмотках можно в зазоре машины получить вращающееся поле.

Для создания магнитного поля в машинах переменного тока требуется реактивная мощность. В обмотках машины переменного тока протекают активные и реактивные токи, которые создают вращающееся магнитное поле, а активные составляющие токов определяют активную мощность машины. Реактивная мощность в установившемся режиме может поступать как со стороны статора, так и со стороны ротора или с обоих входов машины одновременно. Направления активных и реактивных потоков энергии независимо от режима работы электрической машины могут совпадать или быть встречными. Это значит, что активная мощность может поступать со стороны статора, а реактивная – со стороны ротора, и наоборот.

В ЭП имеет место режим преобразования электрической или механической энергии в тепло. Это режим холостого хода. Синхронные машины, работающие параллельно с сетью в режиме холостого хода, называют синхронными компенсаторами.

Активная мощность в двигательном и генераторном режимах изменяет направление, однако поток тепловой энергии, как правило, направления не изменяет. Потери в обычных ЭП необратимы. Однако ЭП настолько многообразны, что существуют специальные ЭП, преобразующие тепло в электрическую и механическую энергию. Их принцип действия основан на изменении магнитной или диэлектрической проницаемости материала, в котором сосредоточена энергия магнитного или электрического поля. При этом изменение температуры должно происходить вблизи точки Кюри.

Одним из следствий первого и второго законов является определение электрических машин как концентраторов энергии. Электромагнитная энергия, распределяясь в бесконечности вдоль линии электропередачи, в индуктивных электрических машинах концентрируется в воздушном зазоре – пространстве между статором и ротором. В трансформаторах энергия концентрируется в магнитопроводе и в пространстве между обмотками, где замыкаются потоки рассеяния.

В сравнительно небольшом объеме воздушного зазора могут концентрироваться огромные мощности. Важно отметить, что в турбогенераторах предельной мощности и в асинхронных машинах удельная мощность воздушного зазора равна примерно 0,5 Вт/мм³. С учетом этого проектирование электрических машин, как правило, начинается с расчета объема зазора, а затем рассчитываются обмотки и определятся геометрические размеры магнитной системы.