Ускоренное обучение 100400
Заочное обучение 180400
Классификация электрических машин
Электрические машины, служат для взаимного преобразования механической и электрической энергии. Электрическая энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами -– ГЕНЕРАТОРАМИ, преобразующими механическую энергию в электрическую. В процессе потребления электроэнергии происходит ее преобразование в другие виды энергии (механическую, тепловую и т.д.). Основное количество электроэнергии (70%) преобразуется в механическую и для этого используется ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ. Электрические машины применяются для преобразования рода тока (переменного в постоянный, частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого. Такие машины называются ЭЛЕКТРОМАШИННЫМИ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯМИ.
Электрическая машина имеет две основные части – вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную – статор.
Рис. 1. Конструктивная схема вращающейся электрической машины:
1- статор, 4- ротор, 6- подшипники
К электрическим машинам относят также трансформатор. Хотя он не является электрической машиной (не имеет движущихся частей), его теория изучается в курсе электрических машин, т.к. основные соотношения между величинами в рабочем процессе трансформатора, применимы к электрическим машинам.
Различают машины переменного и постоянного тока, в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.
Машины переменного тока разделяют на синхронные и асинхронные. В тех и других при работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.
Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (трехфазные часто); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые – многофазный ток.
Машины постоянного тока, обычно, снабжаются коллектором, который служит для получения на щетках машины ЭДС, постоянно действующей в одном направлении. Коллектор – узел электрической машины, конструктивно объединенный с ротором. Медные пластины (диски, кольца), скользят по неподвижным токосъемным щеткам, следовательно, осуществляется контакт в цепи. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) т.о., чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор в одном и том же направлении.
Эта классификация неполная, т.к. электрических машин очень много по конструктивному исполнению и соотв. применению. В процессе обучения будем рассматривать другие электрические машины.
Принцип действия электрических машин
Принцип действия электрических машин основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил, законах Ома, Джоуля-Ленца. Используя их можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими процесс работы электрической машины.
Режим генератора. Рассмотрим два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В него между полюсами помещен проводник, сечение 
. Если этот проводник передвигать слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет ЭДС
, [В] (1)
В – индукция в месте нахождения проводника (в сек/см2)
l - длина проводника [см]
V - скорость движения проводника [см/сек]
Рис.2
Направление наведенной ЭДС определяем по правилу правой руки. Правило дается для определения направления ЭДС в проводнике, пере мещающемся относительно магнитного поля. ЭДС в проводнике направлена “от нас”, обозначаем . 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 как элементарный генератор.
В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникает электромагнитная сила
(2)
Направление силы Fэм определяем по правилу “левой руки”. В нашем случае сила Fэм направлена справа налево, т.е. противоположно движению проводника. Таким образом, в рассмотренном элементарном генераторе сила Fэм является тормозящей для движущей силы. F.
При равномерном движении проводника к нему должна быть приложена механическая сила равная электромагнитной.
F=Fэм (3)
Если умножить обе части равенства на скорость V, то получим
(4)
Представляя в правую часть Fэм из (2) и V из (1), то
(5)
Отсюда видно, что механическая мощность FV преобразуется в электрическую мощность Ie.
Режим двигателя. Если внешнюю силу F к проводнику не прикладывать, а от источника электроэнергии подвести к нему напряжение U так, чтобы ток I в проводнике имел направление как на рис.3 то на проводник будет действовать только электромагнитная сила Fэм, которая согласно правилу «левой руки» заставит проводник передвигаться влево в магнитном поле.
При этом в проводнике индуцируется ЭДС с направлением противоположным напряжению U и току I. Таким образом, часть напряжения U, приложенная к проводнику, уравновешивается ЭДС, а другая часть составляет падения напряжения в проводнике:
U = Е + Ir, (6)
где r – электрическое сопротивление проводника
Умножим обе части равенства на I
UI = IЕ + I2r,
Представляя вместо Е значение ЭДС из (4)
UI = BlVI + I2r и согласно (2)
UI = Fэм V+ I2r,
Таким образом, электрическая мощность (UI), поступающая в проводник, частично преобразуется в механическую (Fэм V) энергию и частично расходуется на покрытие электрических потерь в проводнике (I2r). Следовательно, проводник с током, помещенный в магнитное 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 (кроме трансформатора);
Б) при работе электрической машины, как в режиме генератора, так и в режиме двигателя, одновременно наблюдается индуцирование 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 энергии в электрической машине может происходить в любом направлении, то есть одна и та же машина может работать как в режиме двигателя, так и в режиме генератора; это свойство электрических машин называют ОБРАТИМОСТЬЮ. Принцип обратимости был впервые установлен русским ученым Ленцем в 1833 году.
Диапазон мощностей электрических машин очень широк - от долей Вт до сотен тысяч КВт, следовательно, и требования, предъявленные к электрическим машинам различны.
Для изготовления электрических машин и трансформаторов применяются материалы, подразделяющиеся на три категории: конструктивные, активные и изоляционные.
Конструктивные материалы применяют для изготовления таких деталей и частей машины, которые служат для передачи и восприятия механических воздействий (валы, станины, подшипниковые щиты, стояки, крепежные детали). Это те же материалы что и в общем машиностроении: чугуны (простой, ковкий), сталь (литая, кованая), цветные металлы и их сплавы, пластмассы.
Активные материалы подразделяют на магнитные и проводниковые (токопроводящие), которые предназначены для создания в трансформаторах или машинах необходимых условий, в которых протекают электромагнитные процессы (обмотки и сердечники магнитопровода). Некоторые части электрических машин работают в сложных физических условиях, поэтому к материалам предъявляются требования к их механическим, магнитным и электрическим свойствам.
Изоляционные материалы применяются для электрической изоляции токоведущих части трансформаторов и машин от других их частей и друг от друга. Изоляция – один из основных элементов трансформатора и электрической машины, она во многом определяет надежность в работе. Нагревостойкость изоляции определяет допустимые температуры обмоток, а следовательно и нагрузки активных материалов (плотность тока для проводников, индукция для стали). Большое значение имеет теплопроводность, а так же влагостойкость и химическая стойкость. Большое значение уделяется механической прочности изоляции, т.к. в процессе установки и эксплуатации изоляция подвергается высоким механическим нагрузкам.
Трансформатор