Инновации в области электрических машин помогают увеличить мощность, эффективность, долговечность и экономичность оборудования, уменьшить шум, снизить вес, уменьшить размеры и стоимость оборудования. По этой причине отрасль считается перспективной.
Раздел 3. Электрические машины.
— Электромеханический преобразователь, который преобразует механическую энергию в электрическую (генератор) или электрическую энергию в механическую (электродвигатель) или электрическую энергию с определенными параметрами (напряжение, частота и т.д.) в электрическую энергию с другими параметрами.
В электрической машине в качестве носителей энергии могут использоваться как магнитные, так и электрические поля. Машины, использующие магнитные поля для преобразования энергии, называются индуктивными, а машины, использующие электрические поля, называются емкостными. Также можно комбинировать магнитные и электрические поля. Такие машины называются индуктивно-емкостными.
Индукционные машины наиболее распространены на практике.
Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии:
Читайте также: Самые эффективные лампы для выращивания конопли.
- генераторы — источники электрической энергии;
- электродвигатели — источники механической энергии;
- специальные электрические машины — электромеханические преобразователи с более сложным целевым назначением
Области применения электрических машин
Современные электрические машины устроены очень разнообразно и могут реализовывать различные виды напряжения и тока, а также различные виды движения — вращательное, колебательное, линейное и т.д. — может быть реализована. Диапазон мощности современных электродвигателей составляет 10 — 17 — 109 ватт. На рисунке 1 показано распространение и применение емкостных (график 1), индуктивно-емкостных (график 2) и индуктивных (график 3) электродвигателей. Электродвигатель является очень экономичным преобразователем энергии.
Рисунок 1 — Области применения электрических машин
Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно соединены с электромеханическим преобразователем, образуя так называемую электромеханическую систему, функционирующую как единый технический узел. Все это значительно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое применение во всех областях производственной и бытовой деятельности человечества 1.
Устройство простейшей машины
На рисунке 1 показана простая машина постоянного тока, а на рисунке 2 — схематическое изображение этой машины в осевом направлении. Неподвижная часть машины, называемая индуктором, состоит из полюсов и стального коромысла, к которому прикреплены полюса. Катушка используется для создания основного магнитного потока в машине. Катушка простой машины, показанной на рисунке 1, имеет два полюса 1 (ярмо катушки на рисунке 1 не показано).
Вращающаяся часть машины состоит из цилиндрического якоря 2 и коллектора 3, закрепленного на валу. Якорь состоит из сердечника, изготовленного из листовой электротехнической стали, и катушки, прикрепленной к сердечнику якоря. Обмотка якоря в простой машине, показанной на рисунке 1 и рисунке 2, имеет одну обмотку. Концы катушки соединены с изолированными от вала медными коллекторными пластинами, которых в данном случае две. В коллекторе имеются две неподвижные щетки 4, с помощью которых обмотка якоря подключается к внешней цепи.
Основной магнитный поток в обычных двигателях постоянного тока создается обмоткой возбуждения, которая расположена на полюсных сердечниках и питается постоянным током. Магнитный поток течет от северного полюса N через якорь к южному полюсу S, а оттуда через ярмо обратно к северному полюсу. Сердечники полюсов и ярмо также изготовлены из ферромагнитных материалов.
Электрические машины
Электрическая машина — это электромеханический преобразователь энергии 1, основанный на явлениях электромагнитной индукции и силе Лоренца, действующей на проводник с током, движущийся в магнитном поле.
Когда электрическая энергия преобразуется в механическую работу и тепло, электрическая машина является электродвигателем; когда механическая работа преобразуется в электрическую энергию и тепло, электрическая машина является электрогенератором; когда один вид электрической энергии преобразуется в другой вид электрической энергии, электрическая машина является электромеханическим преобразователем; и когда механическая и электрическая энергия преобразуются в тепло, электрическая машина является электродвигателем. Для большинства машин принцип обратимости выполняется, если одна и та же машина может работать и как двигатель, и как генератор, и как электромагнитный тормоз.
Большинство электрических машин имеют ротор, вращающуюся часть, и статор, неподвижную часть, и воздушный зазор, разделяющий их.
По принципу действия различают следующие типы машин:
- Асинхронная машина — электрическая машина переменного тока, где частота вращения ротора не равна частоте вращения магнитного поля в воздушном зазоре.
- Синхронная машина — электрическая машина переменного тока, где вращение ротора совпадает с вращением магнитного поля в зазоре.
- Асинхронизированная синхронная машина — электрическая машина переменного тока, в которой ротор и статор в общем случае имеют разные частоты питающего тока. В результате ротор вертится с частотой, равной сумме питающих частот.
- Машина постоянного тока — электрическая машина, питаемая постоянным током и имеющая коллектор.
- Трансформатор — электрическая машина 2 переменного тока (электрический преобразователь), преобразующая электрический ток напряжения одного номинала в электрический ток напряжения другого номинала. Существуют статические и поворотные трансформаторы.
- инвертор на базе электрической машины.
Функции
- Преобразование энергии — основное назначение электрических машин в качестве двигателя или генератора.
- Преобразование переменного тока в постоянный.
- Преобразование величины напряжения.
- Усиление мощности электрических сигналов. В этом случае электрическая машина называется электромашинным усилителем .
- Повышение коэффициента мощности электрических установок. В этом случае электрическая машина называется синхронным компенсатором. 3
- ↑ Глоссарий.ru.Словарь по естественным наукам:Электрическая машина.
- ↑ Иванов-Смоленский А. В. Электрические машины. — М.:Энергия, 1980.
- ↑ Кацман М. М. Электрические машины и трансформаторы. — М.:Высшая школа, 1970.
Фонд Викимедиа. 2010 .
Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах
Закон Ампера
Согласно закону, установленному Губером, на проводник с током в магнитном поле действует сила.
- где F – сила, Н,
- I – сила тока, А,
- B — магнитная индукция, Тл,
Направление этой силы определяется по правилу левой руки.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
Открытие электромагнитной индукции, сделанное Фарадеем в 1831 году, является одним из фундаментальных открытий электродинамики. Подробная формулировка закона Максвелла об электромагнитной индукции выглядит следующим образом:
Любое временное изменение магнитного поля возбуждает электрическое поле в окружающем пространстве. Циркуляция вектора напряженности E этого поля вдоль любого фиксированного замкнутого круга s определяется выражением 3 4
- где E – напряженность электрического поля, В/м,
- ds – элемент контура, м,
- Ф — магнитный поток, Вб,
- t — время, с
Электродвижущая сила индукции, возникающая в замкнутом контуре, равна скорости временного изменения потока магнитной индукции
-
где
Символ «-» означает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре, имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле компенсирует изменение магнитного потока, вызванное током.
Вращающиеся электрические машины
Вращающаяся электрическая машина — это электрическое устройство для преобразования энергии на основе электромагнитной индукции и взаимодействия магнитного поля с электрическим током, содержащее по меньшей мере две части, участвующие в основном процессе преобразования и имеющие возможность вращаться или поворачиваться относительно друг друга 2.
Роторная машина постоянного тока или машина постоянного тока — это вращающаяся электрическая машина, в которой основной процесс преобразования энергии основан исключительно на потреблении или генерации постоянного тока.
Роторная машина переменного тока — это вращающаяся электрическая машина, основной процесс преобразования энергии которой основан исключительно на потреблении или генерации переменного тока.
Виды вращающихся электрических машин
По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре
Униполярная машина — это вращающаяся электрическая машина, в которой нормальная составляющая магнитной индукции имеет одинаковый знак во всех точках главного воздушного зазора.
Омниполярный двигатель — это вращающийся электродвигатель, в котором нормальная составляющая магнитной индукции имеет разные знаки в разных частях главного воздушного зазора.
Пантополярная машина — это пантополярная машина, в которой полюса выступают в направлении главного воздушного зазора.
Неизополярная полюсная машина — это омниполярная машина с равномерным главным воздушным зазором.
Реверсивные машины
Электрические машины, как правило, обратимы.
Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразуя механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразуя электрическую энергию в механическую работу. Переход от работы генератора к работе двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменения конструкции машины, без изменения схем и без изменения соединения вала между электрической и рабочей машиной. Примером обратимой электрической машины является асинхронный двигатель. При угловой скорости ротора, меньшей, чем синхронная скорость, асинхронный двигатель работает в режиме двигателя. Если скорость поднимается выше синхронной, электромагнитный момент компенсирует движение, а асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию и, таким образом, работает в режиме генератора.
Потери при преобразовании энергии
Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в электрических цепях, магнитных цепях, а также механическими потерями энергии из-за различных форм трения при вращении. Из-за потерь значения мощности на электрических и механических соединениях не совпадают.
При работе двигателя поглощенная механическая мощность немного меньше содержащейся электрической мощности из-за потерь на преобразование.
В режиме генератора поглощенная электрическая мощность немного меньше, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.
