Электрические машины

В качестве энергоносителя в электрической машине может быть использовано как магнитное, так и электрическое поле. Машины, в которых для преобразования энергии используется магнитное поле, называются индуктивными, а те, в которых используется электрическое поле, — емкостными. Возможно также совместное использование магнитного и электрического полей. Такие машины называются индуктивно-емкостными.

На практике наибольшее распространение получили индуктивные машины.

Принято различать электромеханические преобразователи в зависимости от цели преобразования энергии на:

Области применения электрических машин

Рисунок 1 – Области распространения электрических машин

Для управления современными электрическими машинами используются сложные электронные системы, которые конструктивно объединяются с электромеханическим преобразователем и образуют так называемую электромеханотронную систему, выступающую как единый технический комплекс. Все это существенно расширяет функциональные возможности электрических машин и обеспечивает их широкое внедрение во все сферы производственной и бытовой деятельности человечества [1].

Основополагающие законы электромеханического преобразования энергии в индуктивных машинах

Закон Ампера

Согласно закону, установленному Ампером, на проводник с током в магнитном поле действует сила

Направление этой силы определяется по правилу «левой руки».

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Всякое изменение магнитного поля во времени возбуждает в окружающем пространстве электрическое поле. Циркуляция вектора напряженности E этого поля по любому неподвижному замкнутому контуру s определяется выражением [3] [4]

,

Электродвижущая сила индукции возникающая в замкнутом контуре, равна скорости изменения во времени потока магнитной индукции

,

Знак «-» показывает, что индукционный ток, возникающий в замкнутом проводящем контуре имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле противодействует тому изменению магнитного потока, которым был вызван данный ток.

Вращающиеся электрические машины

Виды вращающихся электрических машин

По характеру магнитного поля в основном воздушном зазоре

Источник

Электрическая машина

Содержание

Общие положения

Возможность создания электрической машины как электромеханического преобразователя базируется на электромагнитном взаимодействии, которое осуществляется посредством электрического тока и магнитного поля. Электрическая машина, в которой электромагнитное взаимодействие осуществляется при помощи магнитного поля называется индуктивной, а в которой при помощи электрического — ёмкостной. Ёмкостные машины практически не используются, так как при конечной проводимости воздушной среды (при наличии влаги) заряды будут исчезать из активной зоны электрической машины в землю (то есть огромные потери энергии).

Классификация

Если электрическая энергия преобразуется в механическую работу и тепло, тогда электрическая машина является электрическим двигателем; когда механическая работа преобразуется в электрическую энергию и тепло, тогда электрическая машина является электрическим генератором; когда электрическая энергия одного вида преобразуется в электрическую энергию другого вида, тогда электрическая машина является электромеханическим преобразователем или трансформатором и когда механическая и электрическая энергии преобразуются в тепло, тогда электрическая машина является электромагнитным тормозом. Для большинства машин выполняется принцип обратимости, когда одна и та же машина может выступать как в роли двигателя, так и в роли генератора или электромагнитного тормоза.

В большинстве электрических машин выделяют ротор — вращающуюся часть, и статор — неподвижную часть, а также воздушный зазор, их разделяющий.

По принципу действия выделяют нижеследующие виды машин:

Источник

Энергетическая машина

* Двигатели — преобразуют любой вид энергии в механическую (электродвигатели, двигатели внутреннего сгорания, паровые машины, гидротурбины);

Генераторы — преобразуют механическую энергию в энергию другого вида (электрогенераторы, поршневые компрессоры, механизмы насосов).Во всех реальных энергетических машинах, кроме преобразований энергии, для которых применяют эти машины, происходят превращения энергии, которые называют потерями энергии. Степень совершенства энергетической машины характеризует её коэффициент полезного действия. Он равен отношению полезно используемой энергии к энергии, подводимой к данной машине.

Энергетические машины широко применяются в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, строительстве, быту.

Связанные понятия

Использование эне́ргии является основой развития человеческого общества и позволяет ему изменять окружающую среду. Общественные формы использования энергии являются решающими для воспроизводства его результатов. В индустриальном и постиндустриальном обществах разработка энергетических ресурсов необходима для сельского хозяйства, транспорта, переработки отходов, развития информационных технологий и телекоммуникаций и других отраслей экономики, развитие которых означает достижение высокого уровня общественного.

В физике механи́ческая эне́ргия описывает сумму потенциальной и кинетической энергий, имеющихся в компонентах механической системы. Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу; это энергия движения и сопровождающего его взаимодействия.

Химические лазеры — разновидность газовых лазеров, в которых источником энергии служат химические реакции между компонентами рабочей среды. Химические лазеры непрерывного действия могут достигать высокого уровня мощности и используются в промышленности для резки и создания отверстий.

Источник

Преобразователи энергии в виде электрических машин

Электрические машины — это преобразователи энергии, устройства, которые преобразуют энергию из одной формы в другую. Они преобразуют механическую работу в электрическую энергию или наоборот.

Существуют также силовые преобразователи, которые преобразуют электрическую энергию одной формы в другую. Они называются статическими преобразователями мощности.

Ниже перечислены некоторые примеры преобразователей мощности:

Преобразователи мощности бывают вращающиеся и статистические.

Вращающиеся преобразователи мощности

Электрические машины, преобразующие электрическую энергию в механическую работу, называются электрическими двигателями.

Электрические машины, преобразующие механическую работу в электрическую энергию, называются электрическими генераторами.

Механическая энергия обычно проявляется в форме вращательного движения. Электрические двигатели и генераторы называются преобразователями вращательной мощности или вращающимися электрическими машинами. Процесс преобразования электрической энергии в механическую работу называется электромеханическим.

Статические преобразователи мощности

В отличие от электрических машин, силовые трансформаторы не содержат движущихся частей. Их работа основана на электромагнитной связи между первичной и вторичной обмотками, окружающими один и тот же магнитопровод.

В дополнение к электрическим машинам и силовым трансформаторам существуют силовые преобразователи, работа которых не основана на электромагнитной связи токовых цепей и магнитопровода.

Преобразователи, содержащие полупроводниковые силовые переключатели, известны как статические силовые преобразователи или устройства силовой электроники. Одним из таких примеров является диодный выпрямитель, содержащий четыре силовых диода, соединенных в мост. Питаемый переменным напряжением, диодный выпрямитель выдает пульсирующее постоянное напряжение. Диодный выпрямитель осуществляет преобразование электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Преобразование электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока осуществляется инверторами, статическими преобразователями мощности, содержащими полупроводниковые силовые ключи, такие как силовые транзисторы или силовые тиристоры. Статические преобразователи мощности часто используются в сочетании с электрическими машинами.

Роль электромеханического преобразования энергии

Электромеханическое преобразование играет ключевую роль в производстве и использовании электрической энергии.

Электрические генераторы производят электрическую энергию, в то время как двигатели являются потребителями, преобразующими значительную часть электрической энергии в механические работы, необходимые для производственных процессов, транспортировки, освещения и других промышленных и бытовых применений.

Благодаря электромеханическому преобразованию энергия транспортируется и доставляется удаленным потребителям с помощью электрических проводников. Электрическая передача достаточна надежна, она не сопровождается выбросами газов или других вредных веществ и осуществляется с низкими потерями энергии. Существуют линии передачи постоянного тока.

На электростанциях паровые и водяные турбины производят механическую работу, которая подается на электрические генераторы. Через происходящие процессы в генераторе механическая работа преобразуется в электрическую энергию, которая доступна на клеммах генератора в виде переменного тока и напряжения.

Назначение электрических сетей в передаче электрической энергии в промышленные центры и населенные пункты, где силовые кабели и линии распределительной сети обеспечивают электроснабжение различных потребителей, расположенных в производственных цехах, транспортных единицах, офисах и домашних хозяйствах. В процессе передачи и распределения напряжение несколько раз преобразуется с помощью силовых трансформаторов. Электрические генераторы, электродвигатели и силовые трансформаторы являются жизненно важными компонентами электроэнергетической системы

Основные законы определяющие электромеханическое преобразование энергии

Электромеханическое преобразование энергии может быть достигнуто путем применения различных принципов физики. Работа электрических машин обычно основана на магнитном поле, которое соединяет токоведущие цепи и движущиеся части машины. Проводники и ферромагнитные детали в магнитном поле связи подвергаются воздействию электромагнитных сил. Проводники образуют контуры и цепи, несущие электрические токи. Связь потока в контуре может изменяться из-за изменения электрического тока или из-за движения. Изменение потока вызывает электродвижущую силу в контурах.

Основные законы физики, определяющие электромеханическое преобразование энергии в электрических машинах с магнитным полем связи следующие:

Процесс электромеханического преобразования энергии

Процесс электромеханического преобразования энергии в электрических машинах основан на взаимодействии магнитного поля связи с проводниками, несущими электрические токи. Магнитный поток направляется через магнитопроводы, изготовленные из ферромагнитных материалов. Электрические токи направляются через токопроводящие провода. Магнитопроводы формируются путем укладки железных листов, разделенных тонкими слоями изоляции, в то время как цепи тока выполнены из изолированных медных проводников.

Три наиболее важных типа электрических машин:

Типы электрических машин имеют различную конструкцию и используют различные способы создания магнитных полей и токов.

Вращающиеся электрические машины имеют неподвижную часть, статор, и движущуюся часть, ротор, который может вращаться вокруг оси машины. Магнитная и токовая цепи могут быть установлены как на статор и ротор. В дополнение к магнитным и токовым цепям электрические машины также имеют другие детали, такие как корпус, вал, подшипники и клеммы токовых цепей.

Вращающиеся электрические машины

Механическая работа электрических машин может быть связана с вращением или перемещением.

Большинство электрических машин состоит из вращающихся электромеханических преобразователей, производящих вращательное движение и имеющих цилиндрические роторы.

Линейные двигатели обеспечивающие линейное перемещение подвижной части встречаются довольно редко.

Токовые цепи машины называются обмотками. Они могут быть подключены к внешним источникам электроэнергии или к потребителям электрической энергии. Концы обмотки доступны в качестве электрических клемм. Электрические клеммы обеспечивают электрический доступ к машине. Поскольку электрические машины выполняют электромеханическое преобразование, они имеют как электрический, так и механический доступ. Через электрические клеммы машина может получать электрическую энергию от внешних источников или поставлять электрическую энергию потребителям в схемы, которые являются внешними по отношению к машине. Ротор расположен внутри полого цилиндрического статора. Вдоль оси ротора расположен стальной вал, доступный с торцов станка. Угловая частота вращения ротора называется частотой вращения ротора.

Электрическая машина может выполнять или принимать механическую работу. Вал составляет механическую клемму машины. Он передает вращающий момент или просто крутящий момент внешним источникам или потребителям механической работы. Крутящий момент создается взаимодействием магнитного поля и электрического тока. Поэтому его еще называют электромагнитным моментом. В тех случаях, когда крутящий момент способствует движению и действует в направлении для увеличения скорости, это называется крутящим моментом привода.

Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую работу. Последняя подается через вал на машину, работающую в качестве механической нагрузки, также называемую рабочей машиной.

Электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию. Он получает механическую работу от водяной или паровой турбины; таким образом, мощность генератора имеет отрицательное значение. Вращающий момент турбины стремится привести ротор в движение, в то время как крутящий момент, создаваемый электрической машиной, противодействует этому движению.

Поскольку электрический генератор преобразует механическую работу в электрическую энергию и подает ее в сеть питания, мощность генератора имеет отрицательное значение. Знак этих переменных связан с опорными направлениями. Изменение опорных направлений для крутящих моментов и токов приведет к положительным крутящим моментам генератора и положительной мощности генератора.

Реверсивные машины

Электрические машины в основном реверсивны.

Реверсивная электрическая машина может работать либо как генератор, преобразующий механическую работу в электрическую энергию, либо как двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую работу. Переход от генератора в режим работы двигателя сопровождается изменением электрических и механических переменных, таких как напряжение, ток, крутящий момент и скорость. Режим работы может быть изменен без изменений в конструкции машины, без изменения в цепях тока и без изменений в соединении вала между электрической и рабочей машиной. Примером реверсивной электрической машины является асинхронный двигатель. При угловых скоростях вращения ротора ниже синхронной скорости асинхронная машина работает в режиме двигателя. Если скорость увеличивается выше синхронной скорости, электромагнитный крутящий момент противодействует движению, в то время как асинхронная машина преобразует механическую работу в электрическую энергию, таким образом, работая в режиме генератора.

Потери при преобразовании энергии

Преобразование энергии сопровождается потерями энергии в цепях тока, магнитных цепях, а также потерями механической энергии в результате различных форм вращательного трения. Из-за потерь значения мощности на электрическом и механическом терминалы не равны.

В режиме двигателя полученная механическая мощность несколько ниже, чем вложенная электрическая мощность из-за потерь на преобразование.

В режиме генератора полученная электрическая мощность несколько ниже, чем вложенная механическая мощность из-за потерь.

Источник

Классификация электромеханических преобразователей энергии

Принято использовать два основных классификационных признака:

3) электромашинные преобразователи: рода тока (постоянный в переменный и наоборот), число фаз тока (1 в 3 и наоборот), частота тока, и т.п. В настоящее время в общепромышленном применении вытесняются электронными преобразователями.

4) электромашинные усилители мощности (ЭМУ) (вытесняются электронными усилителями мощности).

5) преобразователи сигналов. Это – микромашины (мощностью до 600 Вт), используемые в качестве элементов систем управления, измерительных и вычислительных устройств.

6) силовые микродвигатели – работают в режиме «включен – выключен» на постоянную нагрузку, используются, например, для приведения в движение самописцев, лентопротяжных механизмов, дисководов ПЭВМ и т.п.

8) тахогенераторы – преобразователи (датчики) механической величины – скорости вращения – в электрическую (напряжение).

9) вращающиеся (поворотные) трансформаторы (ВТ, СКВТ, СКПТ) – элементы аналоговой вычислительной техники, преобразователи механических величин в электрические сигналы, датчики положения валов.

10) машины синхронной связи (сельсины) – датчики систем автоматического управления, реализующих синхронное и синфазное вращения или поворот двух или нескольких механически не связанных между собой осей (иногда используются как силовые машины, энергия которых участвует в перемещении исполнительных механизмов).

б) по роду тока и принципу действия

1) постоянного тока.

Такие электромеханические преобразователи энергии используются в качестве генераторов и двигателей в электроприводах, требующих изменения частоты вращения в широких пределах (системы автоматического управления, железнодорожный и другие виды электрифицированного транспорта, прокатные станы, сложные станки и др.). Широко используются также в автономных объектах, где бортовая сеть питается от аккумуляторов или батарей (авиация, космос, флот, автомобили …).

2) переменного тока.

трансформаторы (статические машины, кроме т.н. вращающихся трансформаторов), предназначены для преобразования величины напряжения переменного тока;

синхронные машины – чаще генераторы переменного тока промышленной частоты на электростанциях, а также повышенной частоты в автономных источниках питания. В САУ – синхронные двигатели малой мощности (реактивные, индукционные, шаговые и др.);

коллекторные – используются в основном как универсальные – как постоянного, так и переменного тока.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник