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 длиной l, который движется прямолинейно с постоянной скоростью v в неподвижном равномерном (B = const) магнитном поле Φ (рис. 17).

На рисунке 17 в качестве источника механической энергии условно показан электровоз, который перемещает проводник l таким образом, что пересечение проводником магнитных силовых линий происходит под прямым углом, то есть угол α между векторами индукции В и скорости v равен 90° (sinα = 1).

Рис. 17

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

,

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

В качестве электрической нагрузки простейшего генератора l в 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):

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

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

R_л – электрическое сопротивление лампы накаливания вместе с сопротивлением

соединительных проводников.

,

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 ток I создает силу Ампера, которая стремится прекратить движение проводника l (v Þ 0), являющееся причиной появления в проводнике э.д.с. е и тока I.

Поэтому, чтобы сохранить процесс выработки электрической энергии генератором, первичный двигатель (в нашем случае электровоз на рисунке 17) должен увеличить силу тяги F_т (механическую мощность P = 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 I нагрузки 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 проводник l, который находится в неподвижном равномерном (B = const) магнитном поле Φ (рис. 18) и по которому (при замкнутом ключе «К») течет ток I.

Рис. 18

Проводник l получает питание от генератора постоянного тока бесконечной мощности, который на рисунке 18 показан в виде аккумуляторной батареи с напряжением (э.д.с.) Е_г и может перемещаться вместе с двигателем l. Величина тока I в рассматриваемой схеме определяется по закону Ома для замкнутой цепи (4):

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.

,

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

В качестве механической нагрузки для простейшего электродвигателя l на рисунке 18 условно показан вагон, который двигатель должен перемещать со скоростью v в направлении действия силы F.

Если сила F_с сопротивления движению будет меньше силы тяги F, 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).

,

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

Как видно из рисунка 18 э.д.с. е направлена 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) проводника l под действием силы Ампера F = BIl, зависящей от величины тока I. В конечном счете, причина появления э.д.с. е обусловлена током I, протекающим под действием напряжения Е_г источника энергии (рис. 18). Поэтому э.д.с. е двигателя стремится уменьшить ток I до нуля (I ® 0), действуя навстречу ему, а, следовательно, и навстречу напряжению Е_г. На этом основании в двигателях постоянного тока э.д.с. е получила название «противоэлектродвижущая сила» или сокращенно «протво э.д.с.».

Таким образом, рассматривая проводник l с током I в 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 двигателем l, 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.