2.3. Электромеханическое преобразование энергии с помощью вращающегося магнитного поля. Потери энергии. Кпд .

В электрических машинах переменного тока обычно создается вращающееся магнитное поле с помощью многофазных обмоток статора. При угловой частоте тока статора ω₁частота вращения этого поля будет. Вектор этого поляf₁показан на .

Рис. 2-4. Взаимное расположение потоков ротора и статора во вращающемся магнитном поле машины.

Ток ротора также может изменяться с частотой ω2 и при этом поле ротора вращается относительно ротора с частотой . Но так как сам ротор вращается с частотой ω относительно статора, поле ротора вращается с частотой. Учитывая условие однонаправленного преобразования энергии , получим:

,

то есть оба поля вращаются относительно статора с одной и той же скоростью , только вектор поля ротора отстает от поля статора на угол, как показано на . Таким образом, в рабочем зазоре электрической машины существует единое вращающееся магнитное поле, которое можно охарактеризовать суммарным вектором

.

Энергия магнитного поля в рабочем зазоре может быть выражена через этот вектор:

,

а электромагнитный момент может быть выражен через энергию магнитного поля:

.

Подставляя в , а затем произведя дифференцирование согласно , получаем выражение для электромагнитного момента:

.

Из видно, что момент зависит от угла "рассогласования" между векторами потоков статора и ротора и увеличивается при увеличении этого угла до определенных пределов.

Физически наличие двух векторов f₁иf₂в едином магнитном поле можно представить как искривление магнитных силовых линий в рабочем зазоре машины, причем это искривление увеличивается с увеличением нагрузки (момента). Таким образом передачу энергии (момента) от вращающегося магнитного поля к ротору машины в двигательном режиме или наоборот в генераторном, можно еще объяснить натяжением магнитных силовых линий, причем при увеличении этой энергии это напряжение за счет искривления в рабочем зазоре увеличивается.

Вращающееся магнитное поле обладает определенной мощностью P_эм, которую можно выразить через электромагнитный момент

.

Таким образом можно выразить электрическую и механическую мощности ротора

.

Домножив выражение , связывающее частоты вращения полей и ротора, получим, откуда

.

Электромагнитная мощность P_эмпредставляет собой полную мощность, передаваемую вращающимся полем в ротор. Часть этой мощностиP_эпвыделяется в виде теплоты в электрической цепи ротора, а оставшаяся часть преобразуется в механическую мощностьP_мех.

КПД электрической машины на этапе электромагнитного преобразования энергии определяется потерями в роторе н может быть представлен в виде .

В более общем случае КПД зависит от суммарных утерь мощности в роторе и статоре машины и может быть представлен в виде

- для генератора

- для двигателя.

Коэффициент полезного действия всегда меньше единицы, причем чем меньшую долю составляют потери, тем ближе КПД машины к единице.

2.4. Классификация электрических машин

Электрические машины можно классифицировать по принципу действия, конструктивному исполнению и назначению.

Рис. 2-5. Классификация электрических машин.

По принципу действия:

• cинхронные;

• асинхронные;

• с коммутаторами.

Как уже говорилось выше, в синхронных машинах частота вращения полей ротора и статора задаются извне и поэтому согласно , частота вращения ротора зависит только от этих частот. В асинхронных машинах извне задается только частота вращения поля статора, а частота вращения поля ротора зависит от частоты вращения ротора так, чтобы выполнялось условие . В машинах с коммутаторами частота вращения поля(статора или ротора) не задается извне, а связывается с частотой вращения ротора с помощью датчика положения и коммутатора обмотки так, чтобы выполнялось условие . Поэтому синхронные и асинхронные машины имеют частотное управление, а машины с коммутаторами - амплитудное. По конструктивной реализации физических принципов наиболее распространены синхронные машины. Это трехфазные генераторы и специальные двигатели. Трехфазный синхронный генератор с возбуждением от электромагнита постоянного тока является основным типом генератора на современных электростанциях. Из специальных синхронных машин, применяемых в системах автоматики и вычислительной техники, являются шаговые импульсные двигатели.

Из асинхронных машин наиболее распространены трехфазные приводные двигатели средней и большой мощности и двухфазные быстродействующие двигатели систем автоматического управления, а также специальные машины, работающие в режиме трансформатора или генератора и применяемые в системах автоматического управления в качестве датчиков положения и скорости. Машины с коммутаторами можно разделить на две группы - коллекторные машины, имеющие электромеханический коммутатор -коллектор, и вентильные с полупроводниковыми коммутаторами. Наиболее распространенными из этого класса машин являются машины постоянного тока. В автоматике они используются в качестве исполнительных двигателей и тахогенераторов - датчиков скорости.