Принципы электромеханического преобразования энергии и их практическое применение при проектировании и эксплуатации электрических машин изучает специальный раздел электротехники – электромеханика. Предметом изучения электромеханики является управление режимами работы и регулирование параметров обратимого преобразования электрической энергии в механическую и механической – в электрическую, включая генерирование и трансформацию электрической энергии.
Назначение и классификация электрических машин
Электрические машины служат для преобразования механической энергии в электрическую и обратно – электрической энергии в механическую, а также для преобразования одного рода электрической энергии в другой.
Преобразование механической энергии в электрическую осуществляется с помощью электрических машин, называемых электрическими генераторами. Генераторы приводятся во вращение с помощью паровых, гидравлических и газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания и других первичных двигателей. Во многих случаях электрическая энергия, выработанная на электрических станциях, снова превращается в механическую для приведения в действие различных машин и механизмов. Для этой цели применяются электрические машины, называемые электрическими двигателями.
На современных электростанциях обычно вырабатывается переменный ток, и для передачи его к потребителям через линии электропередачи и электрические сети необходимо изменять напряжение тока. Такое изменение, или трансформация, переменного тока осуществляется с помощью преобразователей, которые называются трансформаторами. Трансформаторы представляют собой статические электромагнитные аппараты, не имеющих вращающихся частей. Однако в принципе их действия и устройства есть много общего с вращающимися электрическими машинами, и поэтому их также относят к электрическим машинам в широком смысле этого слова. Существуют также другие разновидности электрических машин.
В зависимости от рода тока электрические машины подразделяются на машины постоянного и переменного тока. Электрические машины изготавливаются на очень широкие пределы мощностей – от долей ватта до миллиона киловатт и выше.
Кроме того, выпущено весьма большое количество электродвигателей меньшей мощности, машин постоянного тока и разнообразных специальных видов маломощных электрических машин для применения в автоматизированных промышленных, транспортных, оборонных и других установках.
Преобразование энергии в современных электрических машинах осуществляется посредством магнитного поля. Такие машины называются индуктивными. Возможно также создание электрических машин, в которых энергия преобразуется посредством электрического поля (емкостные машины), однако такие машины существенного практического распространения пока не имеют. Это объясняется следующим.
В обоих классах машин взаимодействие между отдельными частями машины и преобразование энергии происходят через поле, существующее в среде, которая заполняет пространство между взаимодействующими частями машины. Этой средой обычно является воздух или другое вещество с заданными магнитными и электрическими свойствами (μ, ε). При практически достижимых сейчас интенсивностях магнитного и электрического полей количество энергии в единице объема такой среды, пропорциональное μ или ε, при магнитном поле в тысячи раз больше, чем при электрическом. Мощности емкостных машин могут стать соизмеримыми с мощностями индуктивных машин при разработке материалов с большим ε и высокой электрической прочностью, допускающей работу в сильных электрических полях.
Для получения по возможности более сильных магнитных полей применяются ферромагнитные сердечники, которые являются неотъемлемыми частями каждой электрической машины. При переменных магнитных полях сердечники с целью ослабления вихревых токов и уменьшения вызываемых ими потерь энергии изготавливаются из листовой электротехнической стали. Другими неотъемлемыми частями электрической машины являются обмотки из проводниковых материалов, по которым протекают электрические токи. Для электротехнической изоляции обмоток применяются различные электроизоляционные материалы.
Принцип обратимости электрических машин
Электрические машины обладают свойством обратимости: каждый электрический генератор может работать в качестве двигателя и наоборот, а в каждом трансформаторе и электромашинном преобразователе электрической энергии направление преобразования энергии может быть изменено на обратное. Однако каждая выпускаемая электромашиностроительным заводом вращающаяся машина обычно предназначается для одного определенного режима работы, например в качестве генератора или двигателя. Точно так же в трансформаторах одна из обмоток предусматривается для работы в качестве приемника электрической энергии (первичная обмотка), а другая (вторичная обмотка) – для отдачи энергии. При этом оказывается возможным наилучшим образом приспособить машину для заданных условий работы и добиться наилучшего использования материалов, т. е. получить наибольшую мощность на единицу массы машины.
Высокие энергетические показатели электрических машин, удобство подвода и отвода энергии, возможность выполнения на самые разные мощности, скорости вращения, а также удобство обслуживания и простота управления обусловили повсеместное их широкое распространение.
Потери в электрических машинах
Преобразование энергии в электрических машинах неизбежно связано с ее потерями, вызванными перемагничиванием ферромагнитных сердечников, прохождением тока через проводники, трением в подшипниках и о воздух и так далее Поэтому потребляемая электрической машиной мощность всегда больше отдаваемой, или полезной, мощности, а коэффициент полезного действия (к. п. д.) меньше 100%. Тем не менее электрические машины по сравнению с тепловыми и некоторыми другими типами машин являются весьма совершенными преобразователями энергии с относительно высокими коэффициентами полезного действия. Так, в самых мощных электрических машинах к. п. д. достигает 98-99,5%, а в машинах мощностью 10 Вт к. п. д. составляет 20-40%. Такие к. п. д. при столь малых мощностях во многих других типах машин недостижимы.
Теряемая в электрических машинах энергия превращается в тепло и вызывает нагревание отдельных частей. Для надежности работы и достижения приемлемого срока службы нагревание частей машины должно быть ограничено. Наиболее чувствительными в отношении нагревания являются электроизоляционные материалы, и именно их качеством определяются допустимые уровни нагревания электрических машин. Большое значение имеет также создание хороших условий отвода тепла или охлаждения электрических машин.
Потери энергии в электрической машине увеличиваются с повышением ее нагрузки, а вместе с этим увеличивается и нагревание машины. Поэтому наибольшая мощность нагрузки, допускаемая для данной машины, определяется главным образом допустимым уровнем ее нагревания, а также механической прочностью отдельных частей машины, условиями токосъема на скользящих контактах и так далее Напряженность режима работы электрических машин переменного тока в отношении электромагнитных нагрузок (значения магнитной индукции, плотности тока и так далее), потерь энергии и нагревания определяется не активной, а полной мощностью, так как значение магнитного потока в машине определяется полным напряжением, а не его активной составляющей. Полезная мощность, на которую рассчитана электрическая машина, называется номинальной. Все другие величины, которые характеризуют работу машины при этой мощности, также называются номинальными. К ним относятся: номинальное напряжение, ток, скорость вращения, к. п. д. и другие величины, а для машины переменного тока также номинальная частота и номинальный коэффициент мощности (cos φ). Обозначениям номинальных величин присваивается индекс "н", например: Pн, Uн, Iн, nн и тому подобные.
Основные номинальные величины указываются в паспортной табличке (на щитке), прикрепленной к машине. Принято, что для двигателя номинальная мощность является полезной мощностью на его валу, а для генератора – электрической мощностью, отдаваемой с его выходных зажимов. При этом для генераторов переменного тока дается либо полная, либо активная номинальная мощность. Для трансформаторов и некоторых других машин переменного тока в табличке всегда указывается полная мощность.
Стандартизация электрических машин
Номинальные величины, методы испытаний электрических машин, а также другие их технико-экономические данные и требования регламентируются государственными стандартами (ГОСТ) на электрические машины.
Номинальные напряжения электрических машин согласованы в ГОСТ со стандартными номинальными напряжениями электрических сетей. Номинальные напряжения для электрических двигателей и первичных обмоток трансформаторов при этом берутся равными стандартным напряжениям электрических сетей, а для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов – на 5 – 10% больше с целью компенсации падения напряжения в сетях. Наиболее употребительные номинальные напряжения электрических машин следующие: для двигателей постоянного тока 110, 220 и 440 В, для переменного тока и первичных обмоток трансформаторов 220, 380, 660 В и 3, 6, 10 кВ, для генераторов и вторичных обмоток трансформаторов 230, 400, 690 В и 3,15; 6,3; 10,5; 21 кВ (для вторичных обмоток трансформаторов также 3,3; 6,6; 11 и 22 кВ). Из более высоких напряжений для первичных обмоток трансформаторов стандартными являются 35, 110, 220, 330, 500 и 750 кВ и для вторичных обмоток 38,5; 121, 165, 242, 525 и 787 кВ. Для трехфазных установок в паспортных табличках приводятся линейные значения напряжений.
В России, а также в большинстве других стран мира промышленная частота тока равна 50 Гц, и большинство машин переменного тока поэтому строится на 50 Гц. В США и других странах Америки промышленная частота тока равна 60 Гц. Для разных специальных назначений (электротехнические установки, устройства автоматики так далее) применяются также электрические машины с другими значениями частоты тока.
По мощности электрические машины можно подразделять на следующие группы: до 0,5 кВт – машины весьма малой мощности, или микромашины, 0,5-20 кВт – машины малой мощности, 20-250 кВт – машины средней мощности и более 250 кВт – машины большой мощности. Эти границы между группами в определенной степени условны.
Источник: Вольдек А. И., "Электрические машины. Учебник для технических учебных заведений" – 3-е издание, переработанное – Ленинград: Энергия, 1978 – 832с.