|
Электрификация
является стержнем построения экономики общества. Промышленность, сельское
хозяйство, транспорт, быт не могут обойтись без широкого применения
разнообразных типов электрического оборудования. Одним из основных типов этого
оборудования является электрические машины.
Электрическая
машина – это электромеханическое устройство, предназначенное
для преобразования механической энергии в электрическую или обратно, а
также для преобразования электрической энергии с одними параметрами в
электрическую энергию с другими параметрами.
Современная
электроэнергетика предполагает:
1)
производство электрической энергии на электрических станциях;
2)
передачу электрической энергии к месту потребления;
3)
распределение электрической энергии между потребителями;
4) потребление электрической энергии 
Рисунок 1
Электрическая
энергия вырабатывается на электростанциях электрическими машинами – генераторами,
преобразующими механическую энергию в электрическую. Основная часть
электроэнергии (до 80%) вырабатывается на тепловых станциях, где при сжигании топлива
(уголь, мазут, газ) нагревается вода и переводится в пар высокого давления,
который подается в турбину и приводит во вращение ее ротор (тепловая энергия
преобразуется в механическую). Вращение ротора турбины передается на вал
генератора в котором в результате электромагнитных процессов механическая
энергия преобразуется в электрическую. Процесс производства электроэнергии на
атомных электростанциях аналогичен тепловым.
Процесс выработки
электроэнергии на гидравлических электростанциях состоит в следующем: вода,
поднятая плотиной на определенный уровень, сбрасывается на рабочее колесо
турбины, получаемая при этом механическая энергия путем вращения колеса турбины
передается на вал электрического генератора, в котором механическая энергия
преобразуется в электрическую. В процессе потребления электрической энергии
происходит преобразование ее в другие виды энергии (тепловую, механическую).
Около 70% электрической энергии используются для приведения в движение станков,
механизмов, транспортных средств, т. е. для преобразования ее в механическую
энергию. Это преобразование осуществляется электрическими машинами - электродвигателями.
Электродвигатель –
основной элемент электропривода рабочих машин. Хорошая управляемость и простота
распределение электроэнергии позволяет применять многодвигательный
электропривод механизмов, что значительно упрощает механизмов машин, т.к.
уменьшается число механических передач.
Электродвигатели широко
применяется на транспорте в качестве тяговых двигателей, приводящих во вращение
колесные пары электровозов, электропоездов, троллейбусов и т.д. Широко
применяются электрические машины малой мощности (микромашины) от долей до
нескольких сотен Ватт в бытовой технике.
Произведенную (выработанную)
на электростанции электрическую энергию необходимо передать в место ее
потребления и распределить среди множества потребителей (предприятия,
транспорт, жилые дома). Передачу электрической энергии на большие расстояния
осуществляют на высоком напряжении (до 500 кВ и более), чем обеспечивают
минимальные потери в линии электропередачи. В процессе передачи и распределении
электрической энергии приходится неоднократно повышать и понижать напряжение.
Этот процесс выполняется с помощью электромагнитных устройств, называемых трансформаторами.
Строго говоря, трансформатор
не является электрической машиной, поскольку его работа не связана с
преобразованием электрической энергии в механическую или наоборот, кроме того
трансформатор не имеет движущихся частей – это статичное устройство, но т.к.
электромагнитные процессы, протекающие в трансформаторе аналогичные процессам,
происходящим при работе электрической машины, поэтому
трансформаторы включают в состав электрических машин.
По назначению электрические
машины делятся на:
- генераторы;
- электродвигатели;
- трансформаторы.
Деление на генераторы и
двигатели достаточно условное, так как работа электрических машин обратима. К
преобразователям можно отнести как трансформаторы, так и машины преобразователи
(тахогенераторы, электромашинные усилители, сельсины).
По принципу действия
электрические машины делятся на:
- коллекторные;
- бесколлекторные.
Эти машины отличаются как
принципом действия, так и конструкцией.
Рисунок 2
Бесколлекторные электрические
машины разделяются на синхронные и асинхронные, бывают как однофазные, так и
многофазные.
По мощности (Р)
электрические машины разделяют на:
- микромашины: до 500 Вт;
- машины малой мощностью: 500
Вт ... 20 кВт;
- машины средней мощности: 20
кВт...250 кВт;
- машины большой мощности:
более 250 кВт.
По частоте вращения
электрические машины различают:
- тихоходные: до 300 об/мин;
- средней частоты вращения: от
300 до 1500 об/мин;
- быстроходные: 1500... 3000
об/мин;
- сверхбыстроходные: более 3000
об/мин.
Номинальным режимом
работы электрической машины называют
режим для которого была изготовлена эта машина заводом-изготовителем.
Параметры, которые относятся к этому режиму, называются номинальными и
указываются в паспорте электрической машины, напряжение и ток в паспорте всегда
указываются только линейные.
Работа электрических машин
основана на законе электромагнитной индукции, описывающим взаимодействие
проводника, обтекаемого током, с магнитным полем, а также на законе полного
тока.
Первая формулировка
закона электромагнитной индукции (формулировка Фарадея): при движении проводника в
магнитном поле, перпендикулярно линиям магнитной индукции, в нём
наводится Э.Д.С. пропорциональная магнитной индукции
поля, длине проводника и скорости его движения.
e=B·l·υ
Направление наведенной в
проводнике Э.Д.С определяется по правилу правой руки.
Вторая формулировка закона электромагнитной индукции (формулировка
Максвелла): Э.Д.С. электромагнитной индукции, наведенная в контуре, пропорциональна
скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
Знак «–» в правой части
формулы показывает, что (согласно правила Ленца) ток, возникающий в контуре под
действием наведенной ЭДС всегда направлен таким образом, что противодействует
изменению магнитного потока, пронизывающего контур.
При работе электрической
машины в режиме генератора происходит преобразование механической энергии в
электрическую.
На проводник действует внешняя
сила Fмех, под действием которой он перемещается в магнитном поле. В
проводнике наводится ЭДС. Если концы проводника замкнуты на внешнее
сопротивление (нагрузку), то под действием ЭДС в проводнике начинает протекать
ток I. Таким образом, проводник в магнитном поле в этом случае можно
рассматривать, как элементарный генератор. 
Рисунок 3
На проводник с током в
магнитном поле начинает действовать электромагнитная сила. Направление этой
силы определяется правилом левой руки, это сила направлена противоположно
движению проводника, то есть является тормозящей по
отношению к движущей силе. При равномерном
движении проводника Fмех = Fэл,
тогда первичный двигатель должен развивать мощность:
Вывод: при движении проводника в магнитном поле происходит преобразование
механической мощности, затрачиваемой внешней силой, в электрическую. На данном
принципе основана работа генератора электрической энергии.
Если проводник, обтекаемый
током, поместить в магнитное поле, то на него начнет действовать
электромагнитная сила, направление которой определяется правилом левой руки. Под действием электромагнитной силы проводник начинает
движение.
Рисунок
4
При движении проводника в
магнитном поле в нем наводится ЭДС
с направлением противоположным напряжению U источника
питания Eвстречная.
Согласно 2-му закону Кирхгофа,
составляем уравнение:
,
где r – электрическое сопротивление
проводника.
То есть часть напряжения U
уравновешивается ЭДС
, наведенной в проводнике, а
другая часть составляет падение напряжения в проводнике.
. Подставим значение Э.Д.С:
U·I – электрическая мощность взятая от
источника Э.Д.С
Евстр·I – механическая мощность = Fмех
ϑ
I2
r
–
тепловая мощность.
Вывод: при движении проводника с током в
магнитном поле происходит преобразование электрической мощности в механическую
и тепловую. На данном принципе основана работа электродвигателя. |