I Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с кпд, равным 100%.

Распределение потоков энергии в электрической машине

Р исунок 4.1

———— - направление потоков энергии в двигательном режиме;

— — — - направление потоков энергии в генераторном режиме.

При создании электромеханических преобразователей энергии (ЭП) стремятся уменьшить потери - потоки тепловой энергии, что приводит к уменьшению габаритов и удешевлению ЭП. Созданы ЭП с КПД, равным 98%, а в трансформаторах достигнут КПД, равный 99,8%. Такие высокие КПД являются исключительным техническим достижением, а в естественных электромеханических преобразователях распределение потоков электрической, механической и тепловой энергий близко друг к другу (рисунок 4.1).

Следует иметь в виду, что высокие КПД имеются в электрических машинах большой мощности. В ЭП небольшой мощности КПД может составлять всего несколько процентов, т.е. большая часть механической или электрической энергии преобразуется в теплоту.

Нельзя создать электрическую машину, в которой не происхо­дило бы преобразования энергии в теплоту. Для этого она долж­на быть выполнена со сверхпроводящими обмотками.

II Все эп обратимы, т.Е. Они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режимах.

Работа в двух режимах является важнейшим преимуществом ЭП перед другими преобразователями энергии (паровыми турби­нами, дизелями, реактивными двигателями и т.п.). Режим работы электрической машины зависит от момента сопротивления на валу M_С.. Если электрическая энергия потребляется из сети, ЭП рабо­тает в режиме двигателя. Если поток механической энергии, по­ступающий через вал ЭП, преобразуется в поток электромагнит­ной энергии, устанавливается генераторный режим работы ЭП.

Активная мощность в двигательном и генераторном режимах изменяет направление, однако, поток тепловой энергии, как пра­вило, направления не изменяет. Потери в обычных ЭП необра­тимы.

Как и в большинстве преобразователей энергии, в электриче­ских машинах имеется резонанс. Электрические и механические явления в большинстве ЭП настроены в резонанс. В электрических машинах имеется электромеханический резонанс, когда частота вращения поля f₁ и механическая частота вращения ротора п, выраженная в оборотах в секунду, определяются соотношением

f₁ = pn, (4.1)

где p - число пар полюсов.

III Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга.

Неподвижные относительно друг друга поля ротора и статора в воздушном зазоре машины создают результирующее поле и электромагнитный момент

M_Э = ω_с^-1 Р_э.м, (4.2)

где ω_с - угловая скорость вращения поля; P_эм - электромагнит­ная мощность.

Поля, перемещающиеся в воздушном зазоре относительно друг друга, создают поток тепловой энергии, косвенно влияя на рас­пределение потоков механической и электрической энергии.

Обмотки электрических машин выполняют таким образом, что в воздушном зазоре создается вращающееся поле. Вращающееся поле может создаваться двухфазной системой токов, если обмотки сдвинуты в пространстве на 90°, а ток - во времени на 90°; трехфазной системой токов - при сдвиге обмоток в пространстве на 120° и во времени на 120°. В общем случае вращающееся поле создается m-фазной системой токов при сдвиге обмоток в про­странстве на 360°/m и токами со сдвигом во времени на 360°/m. Вращающееся поле может также создаваться постоянным током. Для этого обмотка, обтекаемая постоянным током, должна вра­щаться. При наличии переменных токов обмотки обычно непо­движны.

В асинхронных машинах частота тока в роторе

f₂ = f₁ s, (4.3)

где s - скольжение (относительная скорость),

s = (ω_c ± ω_p)/ω_c. (4.3.а)

Поэтому скорость ротора ω_p плюс скорость вращения поля ротора относительно ротора всегда равна скорости поля ω_c. Если ротор вращается со скоростью, большей ω_с в ту же сторону, что и поле, созданное токами статора, поле ротора движется в обратную сторону вращения ротора, и поля статора и ротора снова неподвижны.

Третий закон облегчает анализ процессов преобразования энергии в ЭП, на его основе производится запись уравнений элек­тромеханического преобразования энергии.

Так как электромеханика является частью физики, к электри­ческим машинам применимы все основные законы физики. К ним, в первую очередь, относятся законы сохранения энергии, полного тока, закон Ома и др. В основе уравнений, описывающих преоб­разования энергии в электрических машинах, лежат уравнения Максвелла и уравнения Кирхгофа.

Все электрические машины одинаковы в том понимании, что они преобразуют электрическую энергию в механическую и обратно.

Основные типы электрических машин можно свести к обобщенной электрической машине, представляющей собой комбинацию двух пар обмоток, перемещающихся относительно друг друга (рисунок 4.2). На рисунке показана схема идеализированной симме­тричной электрической машины, имеющей гладкий воздушный за­зор, магнитное сопротивление, равное нулю, и синусные обмотки. В такой машине при синусоидальном питании в воздушном зазоре создается круговое поле. При симметричных обмотках и синусо­идальном симметричном напряжении питания поле в воздушном зазоре также синусоидальное.

Обобщенная электрическая машина

Р исунок 4.2

Обобщенной электрической машиной принято называть двухполюсную двухфазную симметричную идеализированную машину, имеющую две пары обмоток, на роторе и статоре (рисунок 4.2). Здесь w_a^s, w_b^s - обмотки статора по оси α и β; w_a^r, w_b^r - обмотки ротора по оси α и β; u_a^s, u_b^s, u_a^r, u_b^r - соответственно напряжения по осям α и β на статоре и роторе; w_p - частота вращения ротора.

Рассмотрим двухполюсную машину, потому что рабочие процессы в многополюсной машине можно свести к процессам в двухполюсной машине.

Асинхронная машина из схемы обобщенной машины получается, когда к обмоткам статора w_a^s и w_b^s подводятся синусоидальные напряжения частотой f₁, сдвинутые во времени на 90°. В обмотках ротора при этом проходят токи частотой f₂ = f₁ S, которые создаются приложенными к ротору напряжениями или наводятся токами обмоток статора. В асинхронной машине скорость ротора ω_p ≠ ω_c (синхронной скорости поля), а поля ротора и статора неподвижны относительно друг друга, так как скорость поля ротора плюс скорость поля ротора относительно ротора равна ω_c.

Имея математическое описание процессов в электрических машинах можно установить, как же происходит в них преобразование энергии. Общий вывод сводится к следующему: электромеханическое преобразование энергии возможно, если в уравнениях, описывающих это преобразование, что-либо изменяется.

Рассмотрим двухфазную двухполюсную электрическую машину (рисунок 4.3). Она имеет две ортогональные системы обмоток статора ω_a^r и ω_b^r и обмоток ротора ω_a^s и ω_b^s, с осями которых совмещены ортогональные системы координат статора a_s, b_s и ротора а_r, b_r. Системы координат ротора и статора перемещаются относительно друг друга, и угол θ между осями определяет относительную частоту вращения.

Модель машины

Рисунок 4.3

П ри неподвижном статоре

(4.4)

Дифференциальные уравнения напряжений в естественных или фазовых не преобразованных координатах имеют следующий вид

(4.5)

В (4.5) частоты токов в статоре и роторе различны, а знаки минус перед напряжениями ротора означают, что направление активной мощности - от статора на вал (двигательный режим).

Потокосцепления обмоток

(4.6)

Здесь коэффициенты перед токами изменяются с такой же частотой, что и токи.

Систему координат α, β целесообразно применять для исследования асинхронных машин.