ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ

Принцип действия и устройство электрических

Машин

Электрические машины предназначены для преобразования механической энергии в электрическую и обратно. В первом случае электрические машины называют генераторами, во втором — двигателями.

Кроме того, ряд электрических машин специального назначения используют как преобразователи рода тока — переменного в постоянный, частоты и числа фаз переменного тока, повышения напряжения постоянного тока и т. п. Такие машины называются электромашинными преобразователями.

► Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно этим законам, а также законам Ома и Джоуля — Ленца, можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс в электрических машинах. Так, из закона электромагнитной индукции следует, что если проводник перемешать перпендикулярно линиям магнитного поля, то в нем будет наводиться эдс в направлении, указанном на рис. 144, а, а ее значение определится формулой

е = Blυ,

где В — магнитная индукция, В∙с/м²; l,υ — длина, м, и скорость, м/с, перемещения проводника.

Под действием эдс в проводнике, замкнутом на резистор, возникает ток в направлении, совпадающем с направлением эдс. В результате взаимодействия проводника с током и магнитного поля возникнет электромагнитная сила, которая определяется по формуле F_эм=ВIl, а ее направление — по правилу «левой руки».

► При равномерном движении проводника вся механическая мощность преобразуется в электрическую Р_мех = Р_эл = EI. Это элементарный идеальный генератор.

Электрическая мощность, отдаваемая во внешнюю цепь с учетом сопротивления проводника R, будет отличаться на значение потерь мощности в проводнике RI².

UI =EI - RI². Сократив все члены на I, получим уравнение электрического состояния цепи

Если проводник с током движется в магнитном поле (рис. 144, б), то электрическая мощность Р_эл = UI, подведенная к проводнику, преобразуется в механическую Р_мех=F_эмυ=EI и частично расходуется на покрытие потерь в проводнике

Ul = EI + RI². Уравнение электрического состояния будет иметь вид

.

В этом случае проводник с током, взаимодействуя с магнитным полем, передвигается в направлении действия F_эм.

ЗАПОМНИТЕ

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать как генератор и как двигатель. Это так называемый принцип обратимости электрических машин, который был установлен Ленцем в 1838 г.

► Таким образом, наличие магнитного поля и проводников с током является необходимым условием для работы любой электрической машины как преобразователя энергии, а постоянное взаимодействие между ними достигается вращательным движением.

Увеличение электромагнитной силы создается усилением магнитного поля за счет применения ферромагнитных материалов в системе возбуждения и увеличением активной длины проводников. т. е. увеличением числа активных проводников, образующих обмотку электрической машины, в которой они соединяются последовательно и параллельно.

Конструктивно электрическая машина состоит из двух основных частей: вращающейся — ротора и неподвижной — статора.

ЗАПОМНИТЕ

Преобразование энергии в электрических машинах возможно лишь при наличии силового взаимодействия между магнитными полями статора и ротора, т. е. поля статора и ротора должны быть неподвижны друг относительно друга при любой частоте вращения ротора.

В режиме генератора (рис. 145, а) электромагнитный момент М_эм противодействует вращению. Он уравновешивается моментом М_двпервичного приводного двигателя (турбина, дизель и т. п.).

В режиме двигателя (рис. 145, б) электромагнитный момент М_эм действует по направлению вращения. При равномерном вращении ему противодействует момент сопротивления М_с приводимого в движение механического устройства (станок, вентилятор, насос и т. п.).

ЗАПОМИНИТЕ

Условие неподвижности магнитных полей ротора и статора в электрической машине может быть реализовано:

1) если при неподвижном поле статора поле ротора вращается с частотой, равной частоте вращения ротора, но в противоположном вращению ротора направлении;

2) если поле ротора неподвижно относительно вращающегося ротора, а поле статора вращается с частотой вращения ротора в том же направлении;

3) если поля статора и ротора вращаются относительно статора и ротора, частота вращения ротора равна разности частот вращения соответственно полей статора и ротора.

В первом случае неподвижность полей ротора и статора достигается изменением направления тока в проводниках ротора с помощью специального щеточно-коллекторного механизма, во втором и третьем случаях — созданием вращающегося магнитного поля. В связи с этим электрические машины делятся на коллекторные и бесколлекторные.

Основное магнитное поле в электрических машинах, называемое полем возбуждения, может быть создано с помощью обмоток возбуждения, получающих питание от источника постоянного или переменного тока и постоянными магнитами, а вращающееся магнитное поле — с помощью многофазной системы токов.

Рассмотрим действие щеточно-коллекторного механизма на примере модели машины, работающей в режиме генератора (рис. 146). В магнитном поле полюсов N—S вращается цилиндр, на котором расположен виток — два проводника, соединенные между собой — с двумя активными сторонами (проводниками аа' и бб'). В верхнем и нижнем положении одного из проводников витка индуцируемая в нем эдс Е имеет разные направления. За период (один оборот) среднее значение эдс равно нулю. Если проводники подключены к двум пластинам, по которым скользят щетки А и Б, то при переходе проводников от одного полюса к другому направление их эдс переключится от щетки А на щетку Б и полярность эдс на щетках останется прежней. При этом электромагнитный момент сохранит прежнее направление.

При работе машины в режиме двигателя с помощью щеточноколлекторного механизма изменяется направление тока в проводниках, когда они переходят из зоны северного в зону южного полюса. Тем самым создается постоянное взаимодействие полей статора и ротора, и, следовательно, непрерывное преобразование электрической энергии в механическую. Переключение направления тока в проводниках посредством щеточно-коллекторного механизма называется коммутацией.

Если проводники подключить к кольцам (см. рис. 146), то при вращении витка в магнитном поле на щетках будет создаваться переменная эдс. Несколько последовательно соединенных витков образуют катушки, а несколько катушек — обмотку.