7. ЕЛЕКТРИЧНІ МАШИНИ
§ 7.1. Призначення і принцип дії електричних машин
Електричними називають машини, принцип дії яких грунтується на використанні явища електромагнітної індукції і які призначені для перетворення механічної енергії в електричну або електричної в механічну. Перше з цих перетворень виконується електричними генераторами, а друге — електродвигунами.
Схему принципу дії електричних машин наведено на рис. 7.1, а. Якщо провідник переміщується під дією зовнішньої сили F у магнітному полі в напрямку зліва направо перпендикулярно до вектора індукції В магнітного поля, то в провіднику наводиться е.р.с.
де В — магнітна індукція, Тл; l — активна довжина провідника, тобто довжина його частини, яка міститься у магнітному полі, м; v — швидкість руху провідника, м/с. Під впливом е.р.с. у замкнутому на зовнішній опір R колі виникає струм I того самого напрямку, що й е.р.с. Внаслідок взаємодії струму I з магнітним полем виникає електромагнітна сила
яка діє на провідник у напрямку, протилежному руху провідника, тобто є гальмівною щодо рушійної сили.
При рівномірному русі провідника F = Fсм. Якщо обидві частини цієї рівності помножити на швидкість руху провідника і врахувати значення Fcм з (7.2), то одержимо
Таким чином, величина механічної потужності Fv, яка витрачається на переміщення провідника у магнітному полі, дорівнює електричній потужності ЕI, що розвивається у замкнутому колі
Рис. 7.1. До пояснення дії елементарного генератора (а) та елементарного двигуна (б).
електричним струмом I. Це і є електричний генератор, в якому механічна потужність перетворюється в електричну. Якщо до провідника, не прикладаючи силу Е, підвести напругу так, щоб струм і у провіднику мав напрямок, вказаний на рис. 7.1, б, то на провідник буде діяти електромагнітна сила Есм. Ця сила зумовлює переміщення провідника в магнітному полі; у провіднику індукується е.р.с, напрямок якої протилежний напрямку напруги U. Тільки одна частина напруги U, підведеної до провідника, зрівноважується з наведеною в ньому е.р.с. Е, а друга частина є спадом напруги у провіднику, тому
де R — електричний опір провідника.
Якщо обидві частини рівності помножити на струм I, то
Підставивши замість Е її значення , матимемо:
або, згідно з (7.2),
Отже, електрична потужність U1 частково перетворюється у механічну Fcмv а частково витрачається на покриття електричних втрат у провіднику I2R. Тому провідник зі струмом у магнітному полі можна розглядати як елементарний електродвигун.
Із викладеного випливає, що: 1) електрична машина може працювати як генератор, так і двигун, тобто має властивість оборотності; 2) наявність магнітного поля і провідника зі струмом — необхідна умова роботи електричної машини як перетворювача енергії; 3) підсилення електромагнітної сили досягається підсиленням електромагнітного поля та збільшенням довжини активних провідників, які утворюють обмотку електричної машини.
Елементарні генератор і двигун відображають лише принцип роботи електричних машин. Що ж до конструктивного виконання, то більшість електричних машин побудовано за принципом обертального руху їхньої рухомої частини.
Pис. 7.2 Узагальнена конструктивна схема електричної машини 1- статором, 2- ротором.
Узагальнена конструкція електричної машини (рис. 7.2) складається з нерухомої частини 1, яку називають статором, і рухомої 2, яку називають ротором. Ротор розмішується у розточці статора і відділений від нього повітряним проміжком. Одна з частин електричної машини має елементи, які
утворюють магнітне поле (постійний магніт, електромагніт), а друга мас робочу обмотку. Обидві частини машини мають осердя з магнітного матеріалу з невеликим магнітним опором.
Під час роботи електричної машини в режимі двигуна робоча обмотка вмикається до джерела живлення і її провідники обтікаються струмом. Взаємодія цього струму з магнітним полем зумовлює появу електромагнітної сили, що приводить ротор до обертання. При цьому електроенергія, яку споживає з електромережі двигун, перетворюється в механічну. Вона витрачається на обертання будь-якого механізму, верстата, підйомника тощо.
Перетворення енергії в електричних машинах можливе лише при наявності силової взаємодії між магнітними полями статора і ротора, тобто для перетворення енергії поля статор і ротор повинні бути нерухомими один відносно іншого при будь-якій частоті обертання ротора.
Нерухомість полів статора і ротора досягається зміною напрямку струму в провідниках ротора з допомогою шітко-колекторного апарата або створюванням обертового магнітного поля. У зв'язку з цим розрізняють електричні машини колекторні та безколекторні.
Колекторні електричні машини — це переважно машини постійного струму, з яких найпоширеніші електричні двигуни. Вони плавно і в значних межах регулюють частоту обертання, створюють великі пускові обертальні моменти.
Основними типами безколекторних машин є асинхронні та синхронні машини змінного струму. З асинхронних машин найпоширеніші трифазні асинхронні двигуни. Простота, висока надійність у роботі, малі габаритні розміри й порівняно невисока ціна зумовили їхнє широке застосування в електроприводах.
Синхронні машини застосовують переважно як трифазні синхронні генератори. Вони є основними джерелами електричної енергії трифазного змінного струму.
Діапазон потужностей електричних машин дуже широкий — від частки вата до сотень тисяч кіловат.