Основные законы электромеханики

Рассмотрим три основных закона электромеханики.

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. Все преобразователи энергии 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, в которой 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 есть сопутствующее преобразование энергии в тепло.

Говоря о КПД, следует отметить, что вкладывается в понимание 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 или механической энергии в тепловую.

В самом общем виде ЭП (или электрическую машину) можно представить как шестиполюсник с внутренним сопротивлением 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 имеются в электрических машинах 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.

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 электрическую 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, то она остановится. Нормальным состоянием ЭП является вращение, и гироскоп со сверхпроводящими обмот­ками может вращаться вечно, не создавая электромагнитного момента.

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 температура среды, окружающей машину, может изме­няться. Изменение инерционных масс на 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.

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 - отдает 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 связаны 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. Реактивные токи 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 сетью 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.

Принцип действия таких ЭП 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 концентратов 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

, (1.1)

где - угловая скорость поля; , - электромагнитная мощность - мощность магнитного поля, сконцентрированная в воздушном зазоре.

Поля, неподвижные относительно друг друга, создают , 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 . Ротор вращается с такой же угловой скоростью, что и по­лепоэтому в обмотке ротора частота f₂=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

, (1.2)

где скольжение (относительная скорость)

(1.3)

Поэтому сумма скорости ротора и скорости поля ротора относи­тельно ротора всегда равна скорости поля . Если ротор вращается со скоростью, большей , 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 обмотка одинаковые. Поэтому можно считать, что максимум потока в трехфазном трансформаторе перемещается по стержням с одинаковой частотой отно­сительно 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 n, об/с, связаны соотношением

(1.4)

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 рраз меньше, чем в двухполюсной.

Электромеханика объединяет и использует все достижения в меха­нике, электродинамике и теплофизике. Как и большинство технических наук, как на трех китах на них 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.

Контрольные вопросы

1. Кто и когда предложил трехфазную систему переменного тока и какие электрические машины созданы на этой базе?

2. Назовите основные этапы развития отечественного машиностроения?

3. Назовите основные серии выпускаемых асинхронных двигателей.

4. Какие различают основные режимы работы двигателей?

5. На какие категории делятся двигатели по степени защиты?

6. Какие международные стандарты учитываются при проектировании электрических машин?