Законы электромеханики. 
Электрические машины

Электромеханика является одним из разделов физики, в котором рассматривается электромеханическое преобразование энергии. В электромеханических преобразователях.

(ЭП) — электрических машинах — осуществляются технические применения электромеханического преобразования энергии.

Электромеханика является фундаментальной наукой, для которой могут быть сформулированы законы. Таких законов, на наш взгляд, три.

Первый закон. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100%.

Мы не сделаем большой ошибки, если скажем, что окружающий нас мир состоит из преобразователей энергии, которые можно разделить на простые и сложные.

В простых преобразователях энергия одного вида полностью преобразуется в энергию другого вида. Примером такого преобразователя может служить электрическая печь, где электрическая энергия полностью преобразуется в тепло.

В сложных преобразователях (а их большинство) энергия одного вида преобразуется в энергию двух (реже трех или нескольких) видов. К сложным преобразователям относятся преобразователи световой энергии в электрическую, химической энергии — в механическую, ядерной энергии — в электрическую и др. В сложных преобразователях обычно происходит сопутствующее преобразование энергии в тепло.

Говоря о КПД, следует отметить, что вкладывается в понятие полезного действия. Инженеры, занимающиеся электропечами, вводят понятие КПД печи, считая, что только часть тепла расходуется на технологический процесс. Поэтому КПД электропечи в этом смысле не равен 100%. В электрических машинах энергия, преобразующаяся в тепло, относится к потерям, и КПД есть отношение электрической мощности, отдаваемой в сеть, к механической (режим генератора) или отношение полезной механической — к электрической мощности, забираемой из сети (режим двигателя).

Электромеханические преобразователи энергии относятся к сложным преобразователям, так как электромеханическое преобразование энергии в них всегда сопровождается преобразованием электрической Р_эл или механической энергии Р_мех в тепловую Р_Т (рис. 1.22).

В самом общем виде ЭП (или электрическую машину) можно представлять как шестиполюсник с внутренним сопротивлением 2_ЭП и двумя электрическими, двумя механическими и двумя тепловыми выводами.

При создании ЭП стремятся уменьшить потери — потоки тепловой энергии, что приводит к уменьшению габаритов и удешевлению электромеханических преобразователей. Созданы электрические машины с КПД, равным 99%, а в трансформаторах достигнут КПД, равный 99,8%. Такие высокие КПД являются исключительным техническим достижением. Следует иметь в виду, что высокие КПД имеют электрические машины большой мощности. В ЭП небольшой мощности КПД может составлять всего несколько процентов, т. е. большая часть механической или электрической энергии в таких машинах преобразуется в тепло.

Рис. 1.22. Направления потоков энергии в электрической машине Для электрических машин, в которых осуществляется электромеханическое преобразование энергии, предложено математическое описание, адекватно отражающее процессы, происходящие в машине. Математические модели — уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, — весьма разнообразны. Наиболее общее математическое описание процессов преобразования энергии в электрических машинах дают дифференциальные уравнения, которые справедливы для переходных и установившихся процессов. При исследовании электрических машин, как и при исследовании других физических объектов, целесообразно работать с математической моделью и реальной машиной.

Уравнения, описывающие преобразование энергии в электрических машинах, не имеют решения, если активные сопротивления, входящие в эти уравнения в виде коэффициентов перед переменными, равны нулю. Если математическая модель не дает решения, то и реальная машина не должна преобразовывать элек трическую энергию в механическую и обратно.

Нельзя создать электрическую машину, в которой вся энергия преобразовывалась бы из электрической в механическую или, наоборот, из механической в электрическую, а преобразование энергии в тепло отсутствовало бы. Чтобы не было в электрической машине преобразования энергии в тепло, машина должна быть выполнена без стали, со сверхпроводящими обмотками и без механических потерь. Такое электротехническое устройство построить можно. Однако оно будет не электромеханическим преобразователем, а накопителем энергии.

Накопители по своей конструкции близки к электрическим машинам. Накопители энергии могут быть выполнены как статические устройства и как вращающиеся машины; примером может служить гироскоп со сверхпроводящими обмотками. Это электрическая машина, которая могла бы вращаться бесконечно долго, так как в ней практически нет потерь. Но если к ее валу приложить момент сопротивления, она остановится. Нормальным состоянием ЭП является вращение, и гироскоп со сверхпроводящими обмотками может вращаться вечно, не создавая электромагнитного момента.

Электромеханика — наука о замкнутых контурах. Электромеханический преобразователь можно представлять как шестиполюсник (рис. 1.23) с двумя электрическими выводами, характеризуемыми напряжением U и частотой /, с двумя механическими выводами, определяемыми моментом М и частотой вращения — механической частотой п, а также тепловым контуром, характеризуемым количеством тепла Q и температурой t.

При анализе процессов преобразования энергии в электрической машине считают внешние сопротивления электрической, механической и тепловой цепей равными нулю. При этом электрическая сеть считается сетью бесконечной мощности и поэтому изменение режима работы электрической машины не влияет на изменение напряжения и частоты. Нагрев машины не влияет на температуру окружающей среды. Механическая нагрузка на валу обычно считается постоянной.

При исследовании электрических машин нельзя забывать об электрической сети, в которой могут изменяться внутреннее сопротивление, а также частота и напряжение. Машина может работать в ограниченном пространстве, и тем;

Рис. 1.23. Представление электрической машины в виде шестиполюсника.

Рис. 1.24. Представление электрической машины в виде четырехполюсника.

пература среды, окружающей машину, может изменяться. Изменение инерционных масс па валу машины и момента нагрузки также влияет на работу машины.

Нельзя подходить формально к законам электромеханики, так как может показаться, что машины со сверхпроводящими обмотками не будут работать. Это не так. Можно представить электрическую машину без потерь (без стали со сверхпроводящими обмотками), но для того чтобы осуществлялось преобразование энергии в такой машине, необходимо активное сопротивление, которое может быть включено в контуры тока вне машины. Здесь потери вынесены из машины в электромеханическую систему, и в машине со сверхпроводящими обмотками будет происходить электромеханическое преобразование энергии.

В большинстве исследований тепловой коэтур рассматривается как имеющий бесконечный объем с неизменной температурой. Поэтому электромеханический преобразователь можно представлять как четырехполюсник с внутренним сопротивлением 2эп (рис. 1.24), с двумя электрическими выводами напряжением U и электрической частотой /, а также двумя механическими выводами — моментом на валу М и час тотой вращения п. Электрическая машина в виде четырехполюсника с двумя электрическими и двумя механическими выводами и внутренним сопротивлением 2_Эп ⁼ О рассматривается при решении задач электромеханики, когда процессы преобразования энергии внутри машины не имеют определяющего значения.

При работе электрической машины в пей выделяется тепловая энергия. Однако можно создать электрическую машину, в которой за счет эффекта Пельтье внутри машины на холодных спаях поглощается тепло и которая нс нагревается и даже может охлаждаться. При этом на горячих спаях, расположенных вне машины, выделяется тепловая энергия. К сожалению, существующие спаи проводниковых материалов обеспечивают охлаждение при низких плотностях токов, что приводит к значительному увеличению габаритов машины и снижению энергетических показателей. Этот пример свидетельствует о том, что тепловые контуры, так же как механические и электрические, в электрической машине надо рассматривать как замкнутые.

Второй закон. Все электрические машины обратимы, т. е. они могут работать как в двигательном, так и в генераторном режиме.

Работа электрической машины в двух режимах является важнейшим преимуществом электромеханических преобразователей перед другими преобразователями энергии (паровыми турбинами, дизелями, реактивными двигателями и т. п.). Одна и та же машина может работать и в двигательном, и генераторном режиме. Например, двигатель электровоза при ускорении состава забирает энергию из сети и работает в двигательном режиме, а при торможении — отдаст электрическую энергию в сеть, работая в генераторном режиме. Режим работы электрической машины зависит от момента сопротивления на ее валу.

Если электрическая энергия потребляется из сети, электрическая машина работает в режиме двигателя. Если поток механической энергии, поступающей через вал, преобразуется в поток электромагнитной энергии, устанавливается генераторный режим работы.

В индуктивных электрических машинах обмотки статора и ротора с вязан ы магнитным полем. Чтобы осуществлялась связь вращающихся обмоток с неподвижными с помощью переменных или постоянных токов, в воздушном зазоре машины создается вращающееся магнитное поле. Чтобы получить вращающееся поле при наличии постоянного тока, необходимо вращать обмотку, в которой протекает постоянный ток. При определенном расположении обмоток в пространстве и при определенном сдвиге токов во времени относительно друг друга при неподвижных обмотках можно в зазоре машины получить вращающееся поле.

Для создания магнитного поля в машинах переменного тока требуется реактивная мощность. В обмотках машины переменного тока протекают активные и реактивные токи, которые создают вращающееся магнитное поле, а активные составляющие токов определяют активную мощность машины. Реактивная мощность в установившемся режиме может поступать как со стороны статора, так и со стороны ротора или с обоих входов машины одновременно. Направления активных и реактивных потоков энергии независимо от режима работы электрической машины могут совпадать или быть встречными. Это значит, что активная мощность может поступать со стороны статора, а реактивная — со стороны ротора и наоборот.

В ЭП имеет место режим преобразования электрической или механической энергии в тепло. Это режим холостого хода. Синхронные машины, работающие параллельно с се;

тыо в режиме холостого хода, называют синхронными компенсаторами.

Активная мощность в двигательном и генераторном режимах изменяет направление, однако поток тепловой энергии, как правило, направления не изменяет. Потери в обычных ЭП необратимы. Однако ЭП настолько многообразны, что существуют специальные ЭП, преобразующие тепло в электрическую и механическую энергию. Их принцип действия основан на изменении магнитной или диэлектрической проницаемости материала, в котором сосредоточена энергия магнитного или электрического поля. При этом изменение температуры должно происходить вблизи точки Кюри.

Одним из следствий первого и второго законов является определение электрических машин как концентраторов энергии. Электромагнитная энергия, распределяясь в бесконечности вдоль линии электропередачи, в индуктивных электрических машинах концентрируется в воздушном зазоре — пространстве между статором и ротором. В трансформаторах энергия концентрируется в магнитопроводе и в пространстве между обмотками, где замыкаются потоки рассеяния.

В сравнительно небольшом объеме воздушного зазора могут концентрироваться огромные мощности. Важно отметить, что в турбогенераторах предельной мощности и в асинхронных машинах единой серии удельная мощность воздушного зазора равна примерно 0,5 Вт/мм³. С учетом этого проектирование электрических машин можно начинать с расчета объема зазора, а затем рассчитывать обмотки и определять геометрические размеры магнитной системы.

Третий закон. Электромеханическое преобразование энергии осуществляется полями, неподвижными относительно друг друга.

Неподвижные относительно друг друга поля ротора и статора в воздушном зазоре машины создают результирующее поле и электромагнитный момент.

где (о_с — угловая скорость поля; Р_эм — электромагнитная мощность — мощность магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре.

Поля, неподвижные относительно друг друга, создают М_)м, а поля, перемещающиеся в воздушном зазоре относительно друг друга, создают поток тепловой энергии, косвенно влияя на распределение потоков механической и электрической энергии. Увеличение потерь в машине приводит к снижению КПД.

Обмотки электрических машин выполняются таким образом, что при протекании по ним токов в воздушном зазоре создается вращающееся магнитное поле. При проектировании электрических машин стремятся получить в воздушном зазоре круговое поле, которое содержит только одну гармонику. Такое поле называется также синусоидальным.

В синхронной машине вращающееся поле в большинстве случаев создается обмотками, расположенными на статоре, и его угловая скорость равна оо_с. Ротор вращается с такой же угловой скоростью, что и поле (со_р = со_с), поэтому в обмотке ротора частота /₂ = 0 и в ней протекает постоянный ток. Поля статора и ротора в синхронной машине неподвижны относительно друг друга.

В машине постоянного тока обмотка возбуждения расположена на статоре и поле возбуждения неподвижно. В якоре создается вращающееся поле, частота вращения которого равна частоте вращения ротора, а направление вращения поля противоположно вращению ротора. Поэтому поля статора и ротора в машине постоянного тока неподвижны относительно друг друга.

В асинхронных машинах частота тока в роторе где скольжение (относительная скорость).

Поэтому сумма скорости ротора со_р и скорости поля ротора относительно ротора всегда равна скорости поля со,. Если ротор вращается со скоростью, большей со_С1 в ту же сторону, что и поле, созданное токами ротора, поле ротора движется в направлении, обратном вращению ротора, и поля статора и ротора неподвижны относительно друг друга.

В трансформаторах первичные и вторичные обмотки жестко закреплены на стержнях магнитной системы и частоты напряжений в обмотках одинаковые. Поэтому можно считать, что максимум потока в трехфазном трансформаторе перемещается, но стержням с одинаковой частотой относителыю первичной и вторичной обмоток. Представление о неподвижности полей для анализа процессов преобразования энергии в трансформаторах не имеет большого значения.

Электрические и механические явления в большинстве электрических машин настроены в резонанс. В электрических машинах имеется электромеханический резонанс, когда частота сети / и механическая частота вращения п, об/с, связаны соотношением.

где р — число пар полюсов.

В двухполюсной машине частота сети и синхронная частота вращения ротора равны друг другу. Электрические машины выполняются таким образом, что волна МДС в воздушном зазоре укладывается целое число раз, и процессы преобразования энергии в двухполюсных и многополюсных машинах протекают лишь с той разницей, что синхронная скорость поля и механическая скорость ротора в многополюсной машине в р раз меньше, чем в двухполюсной.

Электрические машины по своим видам разнообразны, и в емкостных и индуктивно-емкостных машинах неподвижность полей относительно друг друга не имеет такого важного значения, как в индуктивных машинах. Емкостные и индуктивно-емкостные машины наиболее ярко представляются как концентраторы энергии, имеющие электромеханический резонанс.

Электромеханика объединяет и использует все достижения в механике, электродинамике и теплофизике. Как и большинство технических наук, на этих «трех китах» основывается и электромеханика.

Так как электромеханика является частью физики, к электрическим машинам применимы все основные законы физики. К ним в первую очередь относятся законы сохранения энергии, полного тока, закон Ома и др. В основе уравнений, описывающих преобразования энергии в электрических машинах, лежат уравнения Максвелла и Кирхгофа.