Глава 2. Преобразование энергии в электрических машинах

• 2.1. Принцип электромеханического преобразования энергии в электрической машине.

• 2.2. Однонаправленное преобразование энергии в электрических машинах.

• 2.3. Электромеханическое преобразование энергии с помощью вращающегося магнитного поля. Потери энергии. КПД.

• 2.4. Классификация электрических машин

• 2.5. Упражнения и контрольные вопросы к главе 2.

2.1. Принцип электромеханического преобразования энергии в электрической машине

Электромагнитная схема простейшей электрической машины показана на .

Рис. 2-1. Электромагнитная схема простейшей электрической машины

a) в режиме генератора

b) в режиме двигателя

Она состоит из двух основных элементов: неподвижного статора и вращающегося ротора. В пазах на поверхности ротора расположена обмотка с числом витков ω₁, а на статоре - обмотка ω₂.

Электромеханическое преобразование энергии в машине связано с ЭДС, которые индуктируются в обмотках вследствие изменения их взаимного расположения в пространстве.

Предположим, что машина работает в режиме генератора ( ), тогда в обмотке ω₂ протекает постоянный ток i₂, который создает постоянный магнитный поток f. Потокосцепление этого потока с обмоткой ротора ω₁ зависит от угла γ. При γ=0 потокосцепление имеет максимальное положительное значение

При повороте ротора потокосцепление линейно изменяется в функции угла γ, как показано на .

Рис. 2-2. Изменение потокосцепления и ЭДС в простейшей электрической машине.

Аналогичным образом изменяется взаимная индуктивность между обмотками :

При вращении ротора с угловой скоростью ω угол γ=ω·t линейно увеличивается, что приводит к возникновению в обмотке ω₁ так называемой ЭДС вращения:

Как видно из , в обмотке ротора простейшей машины индуктируется ЭДС прямоугольной формы с периодом . (В машинах с однополюсной системой взаимная индуктивность L₁₂ и индуктируемая ЭДС e₁ изменяются по гармоническому закону, как показано на пунктиром). При замыкании роторной обмотки на нагрузку R_H в цепи возникает переменный ток , где R₁- активное сопротивление обмотки ω₁. При этом в обмотке ω₁ будет генерироваться электрическая мощность

.

В результате взаимодействия магнитного поля тока i₂ с током i₁ на poтop будет действовать электромагнитный момент M, который уравновешивается внешним моментом M_B:

При этом через вал к ротору должна быть подведена механическая мощность, преобразуемая в равную ей электрическую мощность e₁·i₁ по

Как видно из , ток i₁ и производная всегда имеют противоположные знаки, поэтому согласно мощность всегда положительна. Это означает, что в электрической машине осуществляется однонаправленное электромеханическое преобразование энергии. В данном случае из механической в электрическую, так как машина работает в режиме генератора.

При работе в режиме двигателя согласно запишем уравнение роторной цепи в виде:

,

и, умножив его на i₁, получим мощность, поступающую из сети на обмотку ω₁

Часть этой мощности R₁·i₁² выделяется в виде теплоты в обмотке, а остальная ее часть преобразуется в механическую мощность

.

Вращающий момент в режиме двигателя положителен (M>0) и направлен в сторону вращения.

Таким образом, в простейшей электрической машине выполняется принцип обратимости, установленный академиком Ленцем еще в 1883 году.