Электрические машины генераторы двигатели трансформаторы

Электрические машины и трансформаторы

Основные определения и классификация электрических машин

Электрические машины являются основными элементами электрических установок. Они используются как источники (генераторы) электрической энергии, как двигатели, чтобы приводить в движение самые разнообразные рабочие механизмы на заводах и фабриках, в сельском хозяйстве, на строительных работах и т. д.

Электрические машины, предназначенные для преобразования механической энергии в электрическую, называются генераторами; электрические машины, предназначенные для обратного преобразования электрической энергии в механическую, называются двигателями.

Электрические машины применяются также для преобразования рода тока (например, переменного тока в постоянный), частоты и числа фаз переменного тока, постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения. Такие машины называются электромашинными преобразователями.

Электрическая машина имеет две основные части – вращающуюся, называемую ротором, и неподвижную, называемую статором (рис. 1-1).

Рис. 1-1. Обычная конструктивная схема электрической машины,
1 – статор; 2 – ротор; 3 – подшипники.

К электрическим машинам относят также трансформатор. Трансформатор представляет собой статический электромагнитный аппарат, который служит для преобразования переменного тока одного напряжения в переменный ток другого напряжения, но той же частоты. Хотя он и не является машиной (не имеет движущихся частей), все же его теория изучается вместе с теорией электрических машин, так как основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс трансформатора, применимы и к электрическим машинам.

Различают машины переменного и постоянного тока в зависимости от того, какой ток они генерируют или потребляют.

Машины переменного тока разделяются на синхронные и асинхронные. В тех и других машинах при их работе возникает вращающееся магнитное поле. Ротор синхронной машины вращается со скоростью, равной скорости вращения магнитного поля. Скорость вращения ротора асинхронной машины отличается от скорости вращения поля.

Машины переменного тока бывают однофазные и многофазные (чаще всего трехфазные); первые генерируют или потребляют однофазный ток, вторые – многофазный ток.

Машины постоянного тока, как правило, снабжаются коллектором, который здесь служит для получения на щетках машины э. д. с., постоянно действующей в одном направлении. В то же время коллектор служит для переключения токов в частях обмотки ротора (якоря) таким образом, чтобы результирующая электромагнитных сил, получающихся от взаимодействия магнитного поля электромагнитов статора и токов в обмотке ротора, действовала на ротор все время в одном направлении.

Находят себе применение также асинхронные коллекторные машины переменного тока. Их ротор выполняется так же, как ротор машины постоянного тока. Они в отличие от бесколлекторных асинхронных машин позволяют плавно и экономично регулировать их скорость вращения. Однако область их применения весьма ограничена вследствие их высокой стоимости, сложности ухода за ними и относительно малой надежности в работе.

Приведенная здесь вкратце практическая классификация электрических машин не исчерпывает всего их многообразия. В дальнейшем при рассмотрении машин переменного и постоянного тока мы будем обращаться к различным их видам, различающимся как по назначению, так и по выполнению.

Принцип действия электрической машины и трансформатора

Принцип действия электрической машины основан на физических законах электромагнитной индукции и электромагнитных сил. Согласно указанным законам, а также законам Ома, Джоуля-Ленца и магнитной цепи можно получить основные соотношения между величинами, характеризующими рабочий процесс машины. Обратимся для этого к рис. 1-2. Здесь показаны два полюса электромагнита, создающего магнитное поле. В магнитном поле между полюсами помещен проводник, сечение которого изображено кружком. Если этот проводник передвигать, например, слева направо, то в нем согласно закону электромагнитной индукции возникнет э.д.с.

где В – индукция в месте, где находится проводник;
l – активная длина проводника, т. е. та его часть, которая находится в магнитном поле;
v –скорость движения проводника относительно поля (если индукция B выражена в В·с/см2, l–в сантиметрах, v–в см/с, то получим э. д. с. e в вольтах; если B выражена в гауссах, то для получения e в вольтах надо правую часть (1-1) умножить на 10-8).

Рис. 1-2. К объяснению принципа действия электрических машин.

Направление наведенной э. д. с. определяется по правилу правой руки, причем следует иметь в виду, что это правило дается для определения направления э. д. с. в проводнике, перемещающемся относительно магнитного поля (рис. 1-3).

Рис. 1-3. Правило правой руки.

Если концы проводника замкнуты на внешнее сопротивление, то по нему пойдет ток, имеющий такое же направление, как и э.д.с. Это направление (от нас) указано крестиком на рис. 1-2.

В результате взаимодействия тока i в проводнике и поля возникнет электромагнитная сила

направление которой определяется по правилу левой руки (рис. 1-4) (если B выражена в В·с/см2, i – в амперах, l – в сантиметрах, то получим силу FЭМ, в Вт·с/см или в Дж/см; для получения FЭМ в килограммах надо правую часть (1-2) умножить на 10,2 и при B в гауссах – еще на 10-8).

Рис. 1-4. Правило левой руки.

При равномерном движении проводника к нему должна быть извне приложена механическая сила F, равная FЭМ, т. е.

Если умножить обе части равенства сил на скорость v, то получим равенство мощностей

Подставляя в правую часть этого равенства FЭМ из (1-2) и v из (1-1), получим:

Отсюда видим, что механическая мощность Fv в нашем элементарном генераторе преобразуется в электрическую мощность ei. Мощность, отдаваемая во внешнюю цепь таким генератором, может быть найдена из уравнения напряжений

где u – напряжение на зажимах внешнего сопротивления;
ir – падение напряжения в проводнике, имеющем сопротивление r.

Умножив это уравнение на i, получим:

где ui – электрическая мощность, отдаваемая проводником во внешнюю цепь (она является частью полной электрической мощности ei, полученной в результате преобразования механической мощности);
i2r – электрические потери в проводнике.

Та же элементарная машина может работать двигателем, т. е. преобразовывать электрическую энергию в механическую. Подведем к проводнику напряжение u так, чтобы ток i в проводнике имел указанное на рис. 1-2 направление. При этом возникнет электромагнитная сила, которая согласно правилу левой руки заставит проводник передвигаться влево. В проводнике появится э. д. с. е, направленная против тока i и против напряжения u, в чем можно убедиться при помощи правила правой руки. Следовательно, напряжение u должно уравновесить э.д.с. е и падение напряжения в проводнике ir, т. е.

От уравнения напряжений (1-8), умножив его на i, перейдем к уравнению мощностей

В этом уравнении i2r – электрические потери в проводнике, ei – та часть подведенной электрической мощности ui, которая преобразуется в механическую мощность FЭМ v, так как, учитывая (1-1) и (1-2), мы можем написать:

ei = Blvi = FЭМ v. (1-10)

Приведенные соотношения показывают, что электрическая машина обратима, т. е. может работать и генератором и двигателем.

Принцип обратимости электрических машин был установлен русским академиком Э. X. Ленцем в 1833 г. Он применим к любой электрической машине.

Таким образом, мы видим, что наличие магнитного поля и проводников, по которым проходит ток, является необходимым условием для работы любой электрической машины. Для усиления магнитного поля применяются ферромагнитные материалы в виде сталей.

При работе электрической машины происходит относительное перемещение проводников и магнитного поля. Такое перемещение в обычных машинах осуществляется путем вращательного движения (рис. 1-1).

В основе работы трансформатора лежит явление взаимоиндукции. Трансформатор состоит обычно из двух обмоток с разными числами витков. Между обмотками существует магнитная связь; для ее усиления обмотки помещаются на стальном замкнутом магнитопроводе, называемом сердечником трансформатора. Энергия из одной обмотки в другую передается через посредство магнитного поля. Благодаря различию чисел витков обмоток получается трансформирование тока одного напряжения в ток другого напряжения, повышенного или пониженного по сравнению с первым.

Источник статьи: http://4d-art.ru/elmashina/pertoki27.html

Принцип работы электрических машин

Классификация электрических машин

Классифицируют электрические машины по назначению, принципу действия и роду тока, мощности, по частоте вращения.

Классификация по назначению

Электрические машины по своему назначению подразделяют на:

Электромашинные генераторы. Они выполняют преобразовании энергии механической (вращение) в электрическую. Они устанавливаются на электрических станциях, автомобилях, самолетах, тепловозах, передвижных электростанциях, кораблях и в других установках. На электростанциях генератор приводят в движение мощные паровые турбины, на автомобилях, тепловозах и прочих транспортных средствах – газовые турбины или двигатели внутреннего сгорания. Генераторы очень часто используют в качестве источников питания в различных установках связи, автоматики и измерительной техники и в других системах.

Электрические двигатели – выполняют функции обратные генератору, а именно, преобразуют электрическую энергию в механическую. Они используются для приведения в движение множества установок в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, в быту, в системах связи. В системах автоматического регулирования их активно используют в качестве регулирующих, программирующих и исполнительных органов.
Электромашинные преобразователи – выполняют преобразования электрических величин. Например, могут преобразовывать постоянный ток в переменный и наоборот, изменять частоту, число фаз и другие функции. В связи с активным внедрением полупроводниковых преобразователей электромашинные преобразователи в новых проектах используют крайне редко (практически никогда), а уже установленные электромашинные преобразователи активно модернизируются полупроводниковыми (тиристорными и транзисторными).
Электромашинные компенсаторы – осуществляют регулирование коэффициента мощности cos φ, а именно баланса реактивной мощности в сети.
Электромашинные усилители – используют для объектов большой мощности. Это, своего рода усилители, они усиливают сигналы большой мощности, при этом управление ведется сигналами малой мощности. Роль этих усилителей, как и электромашинных компенсаторов, в современном мире практически сведена на нет из – за применения полупроводниковых усилителей (транзисторных и тиристорных).
Электромеханические преобразователи сигналов – это, как правило, электрические микромашины (например, сельсины), которые довольно широко используют в системах автоматического управления.

Классификация по роду тока и принципу действия

Как известно, существует два рода электрического тока – переменный и постоянный.

Исходя из этого, электрические машины также подразделяют по роду тока на два вида – машины электрические переменного тока и машины электрические постоянного тока.

Электрические машины переменного тока

Трансформаторы – наиболее широко применимы в сетях электроснабжения для преобразования напряжений (повышение и понижение). Также довольно широко их применяют в выпрямительных установках для согласования напряжений, в устройствах связи, вычислительной техники и автоматики. Часто применяются и для проведения измерений электрических (измерительные трансформаторы), а также для различных функциональных преобразований (трансформаторы вращающиеся).

Асинхронные электродвигатели – самые распространенные в мире благодаря своей относительной простоте и низкой стоимости. Применяются в промышленных электроустановках (станки, краны, подъемные машины) и в бытовых (компрессора холодильников, вентиляторы, пылесосы). Довольно широкое применение получили однофазные и двухфазные асинхронные управляемые электродвигатели, а также сельсины и тахогенераторы асинхронные.

Синхронные электродвигатели – наиболее часто применяемы в качестве генераторов электрического тока на электрических станциях. Также применимы в качестве генераторов повышенной частоты в различных источниках питания (например, на кораблях, тепловозах, самолетах). Также в электроприводах большой мощности применяют синхронные электродвигатели, которые могут также помимо выполнения полезной работы и также влиять на коэффициент мощности сети cos φ.
Коллекторные машины – используют их только в качестве электродвигателей. Это вызвано сложностью их конструкции и необходимостью тщательного ухода. В бытовых электроприборах и устройствах автоматики применяются универсальные коллекторные электродвигатели, способные работать на двух родах тока – постоянном и переменном.

Электрические машины постоянного тока

Они работают практически во всех сферах промышленности и транспорта.

В связи с большим распространением машин постоянного тока также были распространены и генераторы постоянного тока. Они использовались в качестве источников постоянного напряжения для зарядки аккумуляторных батарей, на транспорте (тепловозы, теплоходы и другие), а также в промышленности (система генератор — двигатель). Ввиду развития полупроводниковой техники генераторы постоянного тока постепенно вытесняются из работы и активно заменяются на генераторы переменного тока работающих в паре с полупроводниковым преобразователем.

Также применяются электродвигатели постоянного тока и в системах автоматического управления АСУ в качестве усилителей электромашинных, тахогенераторов и исполнительных электродвигателей.

Электрические микромашины

Микромашины активно применяются в устройствах автоматических.

Их подразделяют на группы:

Силовые микродвигатели – приводят во вращения механизмы различных автоматических устройств. Например, самопишущие устройства и другие.

Исполнительные (управляемые) микромашины – выполняют преобразование энергии электрической в механическую, то есть ведут обработку определенных команд из вне.
Тахогенераторы – преобразуют механическую энергию вращения вала в электрический сигнал напряжения, который пропорционален скорости вращения вала.
Вращающиеся трансформаторы – на выходе этих трансформаторов устанавливается напряжение, пропорциональное функции углу поворота ротора, например синусу или косинусу данного угла или же самому углу.
Машины синхронной связи – (магнесины или сельсины) осуществляют синфазный и синхронный поворот или же вращения нескольких осей, не имеющих между собой механической связи.
Микромашины гироскопических приборов – вращают роторы гироскопов с довольно высокой частотой, а также производят коррекцию их положения.
Электромашинные усилители и преобразователи.

Классификация по мощности

Микромашины – их мощность может варьироваться от нескольких долей ватта до 500 Вт. Они могут производится для двух родов тока — постоянного и переменного. Могут быть рассчитаны как на работу при нормальной (промышленной) частоте 50 Гц, так и при повышенной ( от 400 до 2000 Гц).
Электродвигатели малой мощности – от 0,5 до 10 кВт. Также могут изготавливаться для двух родов тока – постоянного и переменного нормальной и повышенной частоты.
Электродвигатели средней мощности – от 10 кВт до нескольких сотен ватт.
Электродвигатели большой мощности – мощность данных машин больше нескольких сотен киловатт. Такие электродвигатели предназначены для работы на постоянном и переменном напряжении нормальной частоты. Исключение могут составлять электродвигатели специального назначения (авиация, флот) и другие.

Классификация по частоте вращения

До 300 об/мин — тихоходные.
От 300 до 1500 об/мин — средней быстроходности.
От 1500 до 6000 об/мин — быстроходные.
Более 6000 об/мин — сверхбыстроходные.

Микромашины же могут изготавливать с частотой вращения вала от нескольких оборотов в минуту до 60 000 оборотов в минуту. Скорость вращения машин средней и большой мощности, как правило, не превышает 3000 об/мин.

Устройство и принцип работы электромобиля. Плюсы и минусы электрокаров

Устройство электромобиля и принцип его работы

Принцип работы электромобиля заключается в следующем. В нем задействован механизм электромагнитной индукции, который состоит в том, что при наличии переменного электрического тока в проводнике возникает магнитное поле, которое по закону Ампера выполняет отклоняющее действие.

В моторе существуют два основных компонента: ротор и статор.

Статор остается постоянно неподвижным и по нему пропускается электрический ток определенной частоты.

Генерируемое в статоре магнитное поле действует на ротор и тот начинает вращаться. Получаемая механическая энергия используется для движения транспортного средства. Скорость движка прямо пропорциональна частоте тока и количеству установленных магнитных полюсов.

Ток для питания статора генерируется установленными на борту батареями. В зависимости от модели машины, батареи могут иметь разную емкость, конструкцию, особенности используемых механизмов работы.

Типы устройств электромобиля

Выделяют такие машины на электричестве:

Внутригородские. Имеют невысокую мощность и скорость передвижения, на них установлены специальные ограничения по максимальной мощности. Небольшого диаметра колеса и малый вес позволяют двигаться в нормальном городском режиме;
Микроэлектромобили. Созданы с учетом плотного городского транспортного потока, имеют батарею небольшой емкости. Используются для небольших переездов, поездок в магазин, на работу и назад и т.п.;
Различные креативные варианты, типа трициклы;
Обычные авто. Привычные легковушки, типа некоторых популярных моделей от Tesla;
Грузовые. Пока еще не слишком распространены, но в перспективе могут использоваться в крупных городах для внутренних перевозок и уменьшения выбросов в атмосферу;
Троллейбусы, трамваи, автобусы на электродвижках также являются довольно популярным видом транспорта в любом крупном городе.

Плюсы и минусы электрокаров

Минимальные расходы на заправку.
Простота сервисного обслуживания.
Тихая работа мотора.
Отсутствие опасных выхлопных газов.
Покупка на перспективу.

Небольшой выбор авто и высокая цена.
Ограниченное количество необходимых заправок.
Высокая цена на батареи.
Ограниченность использования электроники, например, кондиционера, который будет быстро поглощать имеющийся заряд АКБ.

Источник статьи: http://principraboty.ru/princip-raboty-elektricheskih-mashin/