Электрические машины — электромеханические преобразователи энергии

Изучение электрических машин основано на знаниях физиче­ской сущности электрических и магнитных явлений, излагаемых в курсе теоретических основ электротехники. Однако прежде чем приступить к изучению курса «Электрические машины», напом­ним физический смысл некоторых законов и явлений, лежащих в основе принципа действия электрических машин, в первую оче­редь закона электромагнитной индукции.

В процессе работы электрической машины в режиме генера­тора происходит преобразование механической энергии в элек­трическую. Природа этого процесса объясняется законом элек­тромагнитной индукции: если внешней силой F воздействовать на помещенный в магнитное поле проводник и перемещать его (рис. В 1, а), например, слева направо перпендикулярно вектору индукции Вмагнитного поля со скоростью v, то в проводнике будет наводиться электродвижущая рила (ЭДС)

E = Blv,(B.1)

где В— магнитная индукция, Тл; l — активная длина проводника, т. е. длина его части, находящейся в магнитном поле, м; v— скорость движения проводника, м/с.

Для определения направления ЭДС следует воспользоваться правилом «правой руки» (рис. В.2, а). Применив это правило, определим направление ЭДС в проводнике (от нас). Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление R(потребитель), то под действием ЭДС в проводнике возникнет ток такого же направления. Таким образом, проводник в магнитном поле можно рассматривать в этом случае как элементарный генератор.

В результате взаимодействия тока I с магнитным полем возникнет действующая на проводник электромагнитная сила

F_эм=BlI.(В.2)

Направление силы F_эмможно определить по правилу «левой руки» (рис. В.2, б). В рассматриваемом случае эта сила направлена справа налево, т. е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассматриваемом элементарном генераторе сила F_эмявляется тормозящей по отношению к движущей силе F.

При равномерном движении проводника F = F_эм .Умножив обе части равенства на скорость движения проводника, получим

Fv = F_эм v.

Подставим в это выражение значение F_эм из (В.2):

Fv = BlIv = EI. (В.3)

Левая часть равенства определяет значение механической мощности, затрачиваемой на перемещение проводника в магнитном поле; правая часть — значение электрической мощности, развиваемой в замкнутом контуре электрическим током I. Знак равенства между этими частями показывает, что в генераторе механическая мощность, затрачиваемая внешней силой,

преобразуется в электрическую.

Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, что ток I в проводнике имел направление, указанное на рис. В1, б. то на проводник будет действовать только электромагнитная а F_эм. Под действием этой силы проводник начнет двигаться в магнитном поле. При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением, противоположным напряжению U. Таким образом, часть напряжения U, приложенного к проводнику, уравновешивается ЭДС Е, наведенной в этом проводнике, а другая часть составляет падение напряжения в проводнике:

U = E + Ir, (B.4)

где r — электрическое сопротивление проводника.

Умножим обе части равенства на ток I:

UI = EI+I²r.

Подставляя вместо Езначение ЭДС из (В.1), получим

UI = BlvI+I²r,

или, согласно (В .2),

. UI = F_эм v+I²r(B.5)

Из этого равенства следует, что электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механиче­скую (F_эм, v), а частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I²r). Следовательно, проводник с током, по­мещенный в магнитном поле, можно рассматривать как элемен­тарный электродвигатель.

Рассмотренные явления позволяют сделать вывод: а) для любой электрической машины обязательно наличие электропро­водящей среды (проводников) и магнитного поля, имеющих воз­можность взаимного перемещения; б) при работе электрической машины как в режиме генератора, так и в режиме двигателя од­новременно наблюдаются индицирование ЭДС в проводнике, пересекающем магнитное поле, и возникновение силы, дейст­вующей на проводник, находящийся в магнитном поле, при про­текании по нему электрического тока; в) взаимное преобразова­ние механической и электрической энергий в электрической машине может происходить в любом направлении, т. е. одна и та же электрическая машина может работать как в режиме двигате­ля, так и в режиме генератора; это свойство электрических ма­шин называют обратимостью. Принцип обратимости электри­ческих машин был впервые установлен русским ученым Э. X. Ленцем.

Рассмотренные «элементарные» электрические генератор и двигатель отражают лишь принцип использования в них основ­ных законов и явлений электрического тока. Что же касается конструктивного исполнения, то большинство электрических машин построено на принципе вращательного движения их под­вижной части. Несмотря на большое разнообразие конструкций электрических машин, оказывается возможным представить себе некоторую обобщенную конструкцию электрической машины. Такая конструкция (рис. В.З) состоит из неподвижной части 1, называемой статором, и вращающейся части 2, называемой ро­тором. Ротор располагается в расточке статора и отделен от него воздушным зазором. Одна из указанных частей машины снабже­на элементами, возбуждающими в машине магнитное поле (на­пример, электромагнит или постоянный магнит), а другая — имеет обмотку, которую будем условно называть рабочей обмоткой машины. Как неподвижная часть машины (статор), так подвижная (ротор) имеют сердечники, выполненные из магнитно-мягкого материала и обладающие небольшим магнитным с противлением.

Если электрическая машина работает в режиме генератора, то при вращении ротора (под действием приводного двигателя) проводниках рабочей обмотки наводится ЭДС и при подключении потребителя появляется электрический ток. При этом механическая энергия приводного двигателя преобразуется в электрическую. Если машина предназначена для работы в качеств электродвигателя, то рабочая обмотка машины подключаетется к сети. При этом ток, возникший в проводниках обмотки, взаимодействует с магнитным полем и на роторе возникают электромагнитные силы, приводящие ротор во вращение какого – либо механизма, станка и т.п.

Возможны также конструкции электрических машин, у которых рабочая обмотка расположена на статоре, а элементы, возбуждающие магнитное поле, — на роторе. Принцип работы машины при этом остается прежним.

Диапазон мощностей электрических машин весьма широк — от долей ватт до сотен тысяч киловатт.