6.3. Назначение и классификация электромашинных устройств. Машины постоянного тока. Асинхронные машины. Синхронные машины

6.3.1. Назначение и классификация электрических машин

Электрическая машина (ЭМ) предназначена для преобразования механической энергии в электрическую и электрической в механическую, а также одной формы электрической энергии в другую, отличающуюся по напряжению, току или частоте.

Электрические машины, предназначенные для преобразования электрической энергии в механическую, называются электрическими двигателями, а машины, в которых происходит обратное преобразование, - генераторами.

Использование машин в качестве генераторов и двигателей является их основным назначением. В то же время электрические машины могут использоваться для преобразования рода электрического тока, например, постоянного в переменный или же преобразования величины напряжения. Кроме того, ЭМ широко используются в качестве датчиков угла, перемещения и скорости, для выполнения математических операций и усиления мощности электрических сигналов, а также для повышения коэффициента мощности электрических установок.

Помимо деления по назначению электрические машины классифицируются по принципу действия на коллекторные и бесколлекторные (рис. 6.20), отличающиеся друг от друга принципом действия и конструкцией.

Рис. 6.20

Коллекторные машины применяются главным образом для работы на постоянном токе. Лишь коллекторные машины обычно небольшой мощности выполняют универсальными, работающими на постоянном и переменном токе.

Бесколлекторные машины делятся на асинхронные и синхронные (многофазные и однофазные).

Широкое распространение электрических машин привело к разработке их многочисленных конструктивных форм. Поэтому приведенная на рис. 6.20 классификация является весьма условной и не отображает всего многообразия типов электрических машин.

6.3.2. Преобразование энергии в электрических машинах

При работе электрической машины в режиме генератора механическая энергия преобразуется в электрическую. Это происходит в соответствии с законом электромагнитной индукции: если внешняя сила перемещает проводникв магнитном поле, например, слева направо перпендикулярно вектору магнитной индукции (рис. 6.21), то в проводнике будет наводиться ЭДС:

, (6.1)

где - ЭДС, индуктируемая в проводнике, В; - магнитная индукция, Тл; - активная длина проводника (длина его части, находящейся в магнитном поле), м; - скорость движения проводника, м/с.

	Формула (6.1) определяет лишь величину ЭДС. Для определения ее направления следует воспользоваться правилом правой руки. Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике («от нас»). Если концы проводника замкнуть, под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления.
Рис. 6.21

Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока с магнитным полем возникает электромагнитная сила , действующая на проводник: .

Направление силы определяется по правилу левой руки. В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в генераторе электромагнитная сила является тормозящей по отношению к движущей силе . При равномерном движении проводника эти две силы равны по величине.

Если внешнюю силу к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение , в цепи возникнет ток (рис. 6.22), и на проводник будет действовать только электромагнитная сила , направление которой определяется правилом левой руки.
	Рис. 6.22

Под действием этой силы проводник начнет передвигаться в магнитном поле со скоростью . При этом в проводнике индуцируется ЭДС, противоположная по направлению приложенному напряжению . Таким образом, напряжение уравновешивается электродвижущей силой , наведенной в этом проводнике, и падением напряжения в электрической цепи: ,где - электрическое сопротивление цепи.

Электрическая мощность (), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное поле, можно рассматривать как элементарный электродвигатель.

Указанный процесс преобразования энергии дает возможность сделать важный вывод: необходимым условием работ электрической машины является наличие проводников и магнитного поля, имеющих возможность перемещаться друг относительно друга, т.е. электромагнитный механизм электрической машины должен содержать часть, создающую магнитное поле, и часть, представляющую собой в общем случае совокупность проводников, пересекающих линии магнитного поля. Физически безразлично, как именно создается магнитное поле. Но в электрических машинах чаще всего оно создается электромагнитным путем с помощью стального сердечника с намотанной на него катушкой, по которой течет электрический ток. Это позволяет создавать поля большой интенсивности, регулировать их и таким образом воздействовать на рабочие характеристики машины.

Наведение ЭДС осуществляется разными путями. Так, например, в машинах постоянного тока поле неподвижно, а проводники вращаются; в синхронных машинах, наоборот, поле вращается, а проводники неподвижны; в асинхронных машинах вращается и поле, и проводники подвижной части, причем их вращение возможно либо в одну сторону, либо в разные. При этом преобразование энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, т.е. электрическая машина может работать как в качестве генератора, так и в качестве двигателя. Указанное свойство электрических машин называется обратимостью.

Неподвижная часть ЭМ называется статором, а подвижная (вращающаяся) — ротором.

ЭДС, индуцируемая основным полем возбуждения в перемещающихся относительно поля проводниках машины, вызывает в этих проводниках ток, величина которого зависит от нагрузки машины. Ток создает свое собственное магнитное поле, которое воздействует на основное поле возбуждения. Такое влияние поля токов в перемещающихся проводниках на поле возбуждения называется реакцией якоря. В результате реакции якоря основное поле возбуждения машины может искажаться и уменьшаться по величине.

Подводимая к электрической машине за время энергияпреобразуется в ней в энергию , причем , так как приработе машины имеются потери, связанные с процессом преобразования в ней энергии. Потери энергии, равные , рассеиваются в виде теплоты, нагревая отдельные части машины.

Потери при работе электрической машины в основном складываются:

- из электрических потерь, обусловленных нагревом проводников обмоток и других проводящих контуров при протекании по ним тока (их еще называют потерями в меди);

- магнитных потерь от гистерезиса и вихревых токов в перемагничиваемых ферромагнитных частях машины (потери в стали);

- механических потерь на трение вращающихся частей в подшипниках и о воздух (зависят от скорости ротора).

Отношение называется коэффициентом полезного действия электрической машины. Электрические машины малой и средней мощности имеют КПД, равный 0,8...0,9, доходящий в машинах большой мощности (тысячи киловатт) до 0,97 ..0,99.

На рис. 6.23 представлены диаграммы преобразования мощности в генераторе и двигателе.

а	б
Рис. 6.23

Для генератора (рис. 6.23, а) ,где - мощность механических потерь; - механическая мощность, подводимая к генератору; - мощность электрических потерь в генераторе; - полезная электрическая мощность, отдаваемая генератором.

Для двигателя (рис. 6.23б) , где- мощность электрических потерь в двигателе;- электрическая мощность, подводимая к двигателю;- мощность механических потерь, обусловленная вращением двигателя;- его полезная механическая мощность.

Электрический момент, создаваемый в электрической машине в процессе преобразования энергии, в генераторе направлен против момента приводного двигателя. Чем большую электрическую мощность развивает генератор, тем больше его противодействующий момент.

В случае электрического двигателя его электромагнитный момент используется для совершения полезной механической работы; он преодолевает момент сопротивления рабочего механизма.