Электрические машины (электромеханические преобразователи энергии)

В электрических машинах, как и в трансформаторах, энергоносителем является магнитное поле. В отличие от трансформаторов в электрических машинах наряду с индукционным используется и силовое действие магнитного поля, в результате чего в процессе преобразования энергии появляется звено в виде механического движения.

Электрической машиной называется электромеханический преобразователь энергии, предназначенный для преобразования механической энергии в электрическую (генератор) или электрической энергии в механическую (двигатель).

Электрические машины являются обратимыми преобразователями, то есть в равной степени могут работать как в режиме генератора, так и в режиме двигателя.

В основе принципа действия всех типов электрических машин лежат два закона: закон электромагнитной индукции и закон Ампера.

Большинство типов современных электрических машин – это машины «круговые», в которых звено механической энергии присутствует в виде энергии вращательного движения, хотя существуют машины линейного, колебательного и других видов движения.

Рассмотрим принцип действия электрических машин на примере простейшей линейной электрической машины постоянного тока.

Простейший электрический генератор представляет собой проводник длинойl,который движется прямолинейно с постоянной скоростьюvв неподвижном равномерном (B=const)магнитном полеΦ (рис. 17).

На рисунке 17 в качестве источника механической энергии условно показан электровоз, который перемещает проводник lтаким образом, что пересечение проводником магнитных силовых линий происходит под прямым углом, то есть уголαмежду векторами индукцииВи скоростиvравен 90° (sinα = 1).

Рис. 17

При анализе процессов в электрических машинах удобнее пользоваться законом электромагнитной индукции в формулировке Фарадея (21).

С

(36)

огласно этому закону в проводникеl(рис. 17)будет индуцироваться э.д.с.

,

направление которой определяется по правилу правой руки(рис. 12).

В качестве электрической нагрузки простейшего генератора lв схеме на рисунке 17 показана лампа накаливания. При разомкнутом ключе «К» рабочий процесс преобразования энергии отсутствует, и генератор работает в режиме холостого хода (аналогично режиму работы трансформатора при разомкнутой цепи вторичной обмотки).

Если ключ «К» на рисунке 17 будет замкнут, то по цепи потечет ток I того же направления, что и э.д.с. е. Величина этого тока определяется по закону Ома для замкнутой цепи (4):

(37)

,

где R_г– внутреннее сопротивление генератораl; очевидно:(l– длина

проводника, S– сечение,γ– удельная проводимость материала (2а));

R_л– электрическое сопротивление лампы накаливания вместе с сопротивлением

соединительных проводников.

С

(38)

появлением в проводникеlтока I нагрузки(рис. 17)на него начинает действовать (согласно закону Ампера (20)) электромагнитная сила.

,

направление которой определяется по правилу левой руки(рис. 9).

Как видно из рисунка 17, сила Ампера F является тормозящей, поскольку действует встречно с вектором скорости v, что соответствует принципу Ленца. Действительно, направление индуктированной э.д.с. таково, что токIсоздает силу Ампера,которая стремится прекратить движение проводникаl(v0), являющееся причиной появления в проводнике э.д.с.еи токаI.

Поэтому, чтобы сохранить процесс выработки электрической энергии генератором, первичный двигатель (в нашем случае электровоз на рисунке 17) должен увеличить силу тяги F_т(механическую мощностьP=F_тv) настолько, чтобы скомпенсировать тормозящую силу Ампера (F_т=F) при сохранении величины скорости (v=const).

Аналогичным образом происходит процесс преобразования механической энергии в электрическую на электростанциях, оборудованных генераторами вращательного движения. Первичными двигателями генераторов, как правило, являются турбины: паровые, газовые, гидравлические. Нормальный рабочий процесс выработки электрической энергии на электростанции характеризуется тем, что тормозящий (генераторный) момент на валу первичного двигателя (в частности, паровой турбины) должен быть всегда уравновешен вращающим моментом первичного двигателя. Чтобы выполнить это условие, например, при увеличении тока Iнагрузки турбогенератора необходимо соответственно увеличить вращающий момент турбины за счет увеличения количества пара, подаваемого на лопатки турбины.

Подводя итог рассмотренному выше материалу, можно сделать следующее заключение.

При нормальном рабочем процессе преобразования механической энергии в электрическую (режим генератора) оба закона – Фарадея и Ампера – действуют совместно, причем закон электромагнитной индукции является первичным (причиной), а закон Ампера – вторичным (следствием).

Простейший электрический двигатель представляет собой проводникl,который находится в неподвижном равномерном(B=const)магнитном полеΦ (рис. 18)и по которому (при замкнутом ключе «К») течет токI.

Рис. 18

Проводник lполучает питаниеот генераторапостоянного токабесконечной мощности, который на рисунке 18 показан в виде аккумуляторной батареи с напряжением (э.д.с.) Е_ги может перемещаться вместе с двигателемl. Величина токаIв рассматриваемой схеме определяется по закону Ома для замкнутой цепи (4):

(39)

где R_д– внутреннее сопротивление простейшего двигателя;(по аналогии с

сопротивлением генератора );

R_пр– электрическое сопротивление проводов, соединяющих источник энергии Е_г

с двигателем l.

В

(40)

соответствии с законом Ампера (20) на проводникlс током Iбудет действовать электромагнитная сила

,

направление которой определяется по правилу левой руки(рис. 9).

В качестве механической нагрузки для простейшего электродвигателя lна рисунке 18 условно показан вагон, который двигатель должен перемещать со скоростьюvв направлении действия силыF.

Если сила F_ссопротивления движению будет меньше силы тягиF, развиваемой двигателем, то вагон тронется с места и будет ускоряться до тех пор, пока эти силы не уравняются (F_с=F), и движение двигателя с вагоном станет равномерным (v=const).

О

(41)

дновременно с началом движения(v> 0)проводникlначинает пересекать силовые линии магнитного поляΦ (рис. 18)под прямым углом(sinα = 1),в результате чего в проводнике будет индуктироваться э.д.с. (закон электромагнитной индукции)

,

направление которой определяется по правилу правой руки(рис. 12).

Как видно из рисунка 18 э.д.с. енаправлена навстречу току, что соответствует принципу Ленца, то есть направление э.д.с. должно быть таким, чтобы противодействовать причине ее появления.

В рассматриваемом случае причиной является движение (v> 0) проводникаlпод действием силы АмпераF=BIl, зависящей от величины токаI. В конечном счете, причина появления э.д.с.еобусловлена токомI, протекающим под действием напряженияЕ_гисточника энергии (рис. 18). Поэтому э.д.с.едвигателя стремится уменьшить токIдо нуля (I0), действуя навстречу ему, а, следовательно, и навстречу напряжениюЕ_г. На этом основании в двигателях постоянного тока э.д.с.еполучила название «противоэлектродвижущая сила» или сокращенно «протво э.д.с.».

Таким образом, рассматривая проводник lс токомIв неподвижном магнитном поле Φ (рис. 18), можно убедиться в возможности преобразования электрической энергии (электрическая мощность генератора Р_эл= Е_гI) в механическую энергию (мощность поступательного движения, развиваемая двигателемl, Р_мех=Fv).

Рабочий процесс преобразования энергии в двигателе, как и в генераторе, характеризуется совместным (одновременным) действием двух законов: закона электромагнитной индукции и закона Ампера.

В отличие от рабочего процесса преобразования энергии в генераторе, в двигателе(с точки зрения причинно-следственной связи) оба закона меняются местами:закон Ампера является причиной, а закон Фарадея – следствием.